阅读说明：本技术 基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其应用方法 (Pre-bent needle puncture mechanism capable of realizing controllable continuous curvature based on separated needle core feeding and application method thereof ) 是由 孙进 姜金 张道周 张洋 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及医疗机械领域,具体涉及基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其应用方法。采用独特的双齿轮与柱形齿条的传动方式驱动针芯进给,使针芯可以连续进给,而且双齿轮可以在电机自锁时固定齿条的进给,配合预弯的柔性针芯,使得柔性针芯的穿刺轨迹曲率可以实现一定范围的可控连续变化,基本满足各种穿刺路径的要求；针进给装置和针旋转装置采用不同的驱动装置,使针芯旋转和进给运动呈非耦合状态,防止相互影响带来的路径误差；机构在穿刺过程中出现误差时,可以通过调整针芯的进给和旋转,做出误差补偿；本发明在现有机构的基础上增添了可控连续曲率的功能,使穿刺轨迹在路径规划时不受到过多限制,使规划有益路径更方便。(The invention relates to the field of medical machinery, in particular to a pre-bending needle puncture mechanism capable of realizing controllable continuous curvature based on separated needle core feeding and an application method thereof. The needle core is driven to feed by adopting a unique transmission mode of a double gear and a cylindrical rack, so that the needle core can be continuously fed, the double gear can be used for fixing the feeding of the rack when a motor is self-locked, and the curvature of the puncture track of the flexible needle core can realize controllable continuous change in a certain range by matching with the pre-bent flexible needle core, thereby basically meeting the requirements of various puncture paths; the needle feeding device and the needle rotating device adopt different driving devices, so that the rotation and the feeding motion of the needle core are in a non-coupling state, and the path error caused by mutual influence is prevented; when the mechanism has errors in the puncture process, the error compensation can be made by adjusting the feeding and the rotation of the needle core; the invention adds the function of controllable continuous curvature on the basis of the existing mechanism, so that the puncture track is not excessively limited during path planning, and the beneficial path planning is more convenient.)

基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其 应用方法

技术领域

本发明涉及医疗机械领域，具体涉及基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其应用方法。

背景技术

近年来，随着微创手术的流行，相关医疗机械也在不断的发展。微创技术是一种在不需要开刀的情况下，利用医学影像设备辅助，从而将特制的针或导管等一些精密仪器引进人体病变处进行诊断治疗的医疗手段。最初，临床采用刚性针进行穿刺治疗，钢针在人体组织内运动时不发生变形，会保持直线的运动轨迹。然而由于人体内部的复杂性，直线运动的刚性针不具备躲避重要组织器官的能力，在使用时受限颇多，实用性不高。后来，有学者提出了斜尖柔性针的概念，斜尖柔性针凭借其超弹性刺入人体后在人体组织压力的作用下会作曲线运动。同时，通过改变柔性针斜尖的角度或其材料属性，可以有效的改变其运动轨迹的曲率，从而可以更好的绕过障碍，达到靶心。

然而传统的斜尖柔性针也存在其不足。首先，当旋转针体以调整斜尖方向时，会受到较大的由人体组织带来的扭转摩擦，产生很大的误差；其次，由于受到柔性针弯曲半径的限制，在出现针尖偏离靶点目标时，路径无法矫正。在此基础上有学者提出一种套管柔性针，可以大大的减少扭转摩擦，然而在穿刺过程中，由于柔性针的曲率无法改变，在实际中仍会遇到无法规避的障碍。

2013年哈尔滨工业大学的董伟等人发明了一种基于压电驱动的倾斜角柔性针机器人辅助穿刺系统(授权公告号：CN103083091B)，可以较为有效的解决柔性针在组织内运动过程中受力复杂，轨迹规划困难，运动精度不易保证的问题，其缺点是无法减少扭转摩擦带来的影响。

2015年哈尔滨理工大学的赵燕江等人发明了一种基于齿轮传动的套管柔性针同步穿刺机构(授权公告号：CN105212997B)，通过柔性针芯与柔性针套的配合，减少了针与组织的扭转摩擦，提高了斜尖转角的精度，然而探针运动模式较为单一，且操作斜尖柔性针的时候多会发生柔性针的穿刺变形，无法通过合适的操控策略来进行变形的误差补偿。

2018年德克萨斯大学的Jaeyeon Lee等人在“Efficient mechanism design andsystematic operation planning for tube-wire flexible needles”(Journal ofMechanisms and Robotics,2018,10(6):pp.1-9)一文中采用转换机构控制带套管的预弯柔性针，使针芯穿刺轨迹可以实现多曲率的控制变化，但由于转换机构中针芯旋转和进给运动的耦合，当针芯进给来改变轨迹曲率时，针芯会产生不必要的旋转，致使误差产生，同时机构无法对误差进行调整。

针对以上问题并结合现有技术所遇到的问题，设计了基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其应用方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构及其应用方法，通过不同的控制方式使柔性针芯的旋转运动和进给运动呈非耦合状态，并采取预弯的柔性针芯，可以实现在穿刺过程中实时改变柔性针的运动弯曲曲率，使得靶向穿刺更加精确、灵活。

本发明的技术方案是：

基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构，其特征是，包括整体进给机构、针旋转装置、针进给装置、固定平台、基座、设置于基座端部的挡板、刚性针筒、柔性针套、预弯的柔性针芯，所述挡板处设有针筒支撑；所述整体进给机构包括与基座相连的丝杠、丝杠滑台、第一电机，所述第一电机与丝杠驱动连接，所述丝杠滑台与丝杠螺纹连接，并与基座滑动配合；所述固定平台固定于丝杠滑台上，所述针旋转装置、针进给装置分别置于固定平台；

所述柔性针芯套置于柔性针套内，所述柔性针套套置于刚性针筒内，所述刚性针筒的一端、柔性针套的一端均固定于固定平台顶部的针筒固定件上，刚性针筒的另一端嵌套于挡板处的针筒支撑，柔性针芯的头部分别与针旋转装置、针进给装置配合，使柔性针芯实现旋转和进给；通过第一电机驱动丝杠，带动丝杠滑台在基座上进给，实现柔性针芯、柔性针套的整体进给。

优选的，所述针旋转装置，包括用于驱动的第二电机、齿轮传动装置、旋转轴、六角轴、夹持柔性针芯头部的针芯夹头；所述第二电机安装于固定平台的中间平台，通过齿轮传动装置连接旋转轴，所述旋转轴的两端分别支撑安装于固定平台顶部；所述旋转轴的一端设有与六角轴端相匹配的六角沉孔，所述六角轴一端通过六角沉孔与旋转轴配合，另一端与针芯夹头固定连接；所述六角轴、针芯夹头固定于固定平台顶部设置的第二滑块上，该第二滑块与固定平台顶部滑动配合。

优选的，所述针进给装置，包括用于驱动的第三电机、齿轮齿条传动装置、锥齿轮传动装置；所述齿轮齿条传动装置包括齿轮、齿条，所述齿轮安装于齿轮轴上，所述齿轮轴垂直布置，其一端穿过中间平台与锥齿轮传动装置相连，另一端与齿条啮合，所述齿条的一端与第二滑块固定连接，另一端通过第一滑块与固定平台顶部滑动配合；所述第三电机安装于固定平台底部，所述第三电机通过锥齿轮传动装置与齿轮轴相连，通过第三电机驱动齿轮齿条传动装置，由齿条带动针芯夹头位移，实现柔性针芯的进给。

优选的，所述锥齿轮传动装置包括与第三电机驱动连接的锥齿轮轴，所述锥齿轮轴上安装有小锥齿轮，所述齿轮轴通过轴承与中间平台相连，其底部设有大锥齿轮，该大锥齿轮与小锥齿轮啮合。

优选的，所述小锥齿轮、大锥齿轮、齿轮轴、齿轮分别有两个，两两对称安装，两个齿轮分别对称置于齿条的两边。

优选的，所述小锥齿轮与大锥齿轮的传动比为：

式(1)中，t₁和ω₁分别为小锥齿轮的齿数和角速度，t₂和ω₂分别为大锥齿轮的齿数和角速度。

优选的，所述预弯的柔性针芯，预弯的轨迹为抛物线，针尖斜面角度为45°，预弯长度为15mm，柔性针芯末端圆心的轨迹公式为：

式(2)为以柔性针套末端圆心为原点的直角坐标系中的抛物线公式，其中x为针芯末端进给量；当针芯末端进给量x为x₀，0mm≤x₀≤15mm时，其对应的轨迹曲率半径R₀的范围为[62.9mm,187.4mm]。

优选的，所述第一电机、第二电机、第三电机均与步进电机控制器相连，受其控制。

优选的，所述第一滑块、第二滑块分别通过第一连接件、第二连接件与固定平台顶部滑动配合，第一、第二连接件中间为弧形，弧形底部设有槽轨，配合与齿条相连的第一滑块和第二滑块。

上述基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构的应用方法，其特征是，包括以下步骤：

1)整体进给：

启动第一电机，丝杠旋转，使得丝杠滑台稳定进给，致使柔性针套、柔性针芯一同作进给运动，进入待穿刺组织；

2)针芯进给：

启动第三电机，通过锥齿轮传动装置、齿轮齿条传动装置使齿条在固定平台顶部滑动，使与第二滑块相连的针芯夹头推动柔性针芯在柔性针套内位移，即柔性针芯的伸出柔性针套外，实现柔性针芯的进给，此时六角轴在第二滑块的作用下与旋转轴分离；

使柔性针芯末端进给量x在0mm到15mm连续变化，使得穿刺轨迹的曲率半径可以取到区间[62.9mm,187.4mm]内的任一值，从而可以实现一定范围内可控连续曲率的变化；

3)针芯旋转：

当进给过程中，路径需要偏转时，需要反转第三电机，使柔性针芯退回柔性针套内，使针芯末端进给量x为0mm，此时，六角轴端位于旋转轴的六角沉孔内；再启动第二电机，使旋转轴通过六角轴带动柔性针芯旋转；最后，正转第三电机，使柔性针芯回到初始位置。

本发明的有益效果是：

第一，分离式针进给装置采用独特的双齿轮与柱形齿条的传动方式驱动针芯进给，使针芯可以连续进给，而且双齿轮可以在电机自锁时固定齿条的进给，配合预弯的柔性针芯，使得柔性针芯的穿刺轨迹曲率可以实现一定范围的可控连续变化，基本满足各种穿刺路径的要求。

第二，针进给装置和针旋转装置通过第二滑块相连，采用不同的传动方式和驱动装置，使针芯旋转和进给运动呈非耦合状态，防止相互影响带来的路径误差。

第三，根据上述有益效果，机构在穿刺过程中出现误差时，可以通过调整针芯的进给和旋转，来作出误差补偿。

本发明在现有机构的基础上增添了可控连续曲率的有益效果，使穿刺轨迹在路径规划时不受过多限制，使规划有益路径更方便。

附图说明

图1为本发明的外形示意图；

图2为本发明的整体进给机构示意图；

图3为本发明的针芯旋转装置示意图；

图4为本发明的针芯进给装置示意图；

图5为本发明的针装配示意图；

图6为柔性针芯***琼脂中形成的轨迹；

图7为根据图6测量数据得到的针***组织形成的轨迹坐标图；

图中：整体进给机构1、丝杠11、丝杠滑台12、联轴器13、第一电机14、针旋转装置2、针芯夹头21、六角轴22、旋转轴23、第一齿轮24、第二齿轮25、电机座26、第二电机27、针进给装置3、锥齿轮轴30、小锥齿轮31、大锥齿轮32、轴承33、齿轮轴34、齿轮35、齿条36、轴挡板37、联轴器38、第三电机39、固定平台4、机架40、中间平台41、第一连接件42、第一滑块43、针筒固定件44、第二滑块45、第二连接件46、大轴承盖47、第三连接件48、小轴承盖49、基座5、后端盖51、前端盖52、安装座53、挡板6、针筒支撑61、刚性针筒7、柔性针套8、柔性针芯9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专利作进一步说明：

如图1所示，基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构，包括：整体进给机构1、针旋转装置2、针进给装置3、固定平台4、基座5、挡板6、刚性针筒7、预弯的柔性针芯9、柔性针套8。

如图2所示，整体进给机构1安装在基座5上，整体进给机构1是由通过丝杠11在第一电机14的带动下，实现丝杠滑台12的进给运动。基座5上设置安装座53，便于第一电机14和基座5的连接，安装座中心位置设置联轴器13，用于连接第一电机14和丝杠11；基座5上设置后端盖51和前端盖52，用于前后固定丝杠11。挡板6位于后端盖51外侧，与后端盖51通过螺钉的方式连接；针筒支撑61位于挡板6上方，通过螺栓的方式连接，在固定刚性针筒7的同时使其嵌套。

如图3所示，固定平台4，包括用于承载连接结构的顶部平台、用于承载驱动装置的中间平台41以及同丝杠滑台固定的底部；顶部平台中间挖空，用于放置连接结构；顶部平台和中间平台41、中间平台41和底部之间都有用于容纳驱动传动装置的空间。中间平台41通过螺栓与机架40相连，针旋转装置2安装在中间平台41上。电机座26通过螺栓连接固定在中间平台41上；电机座26与第二电机27相连，采用螺钉连接的方式固定；第二齿轮25与第二电机27的转轴相连，与之啮合的第一齿轮24安装在旋转轴23上；旋转轴23的两端设有轴承，分别通过小轴承盖49、大轴承盖47安装在第三连接件48、第二连接件46上；六角轴22一端与旋转轴23(的六角沉孔)配合，一端与针芯夹头21通过螺钉的方式相连接；针芯夹头21用于夹紧柔性针芯9；六角轴22和针芯夹头21与第二滑块45相连。

如图4所示，左右对称的机架40顶端构成中间有空隙的顶部平台，其上设置有第一连接件42、第一滑块43，与针进给装置3相连接。针进给装置3安装在支架40内部，主要与中间平台41相连。

齿条36与对称布置的两个相同的齿轮35配合传动。齿条36为柱形齿条，安装在顶部平台中间，一端与第一滑块43相连，安装在第一连接件42上，另一端与第二滑块45相连，安装在第二连接件46上；齿轮35安装在齿轮轴34上，齿轮35和齿轮轴34有两套，置于齿条36两边，对称布置，增大对齿条36的摩擦；齿轮轴34上端与轴挡板37下端相接触，中间端通过轴承33安装在中间平台41上，位于中间平台41下方的齿轮轴34安装有大锥齿轮32；与大锥齿轮32配合的小锥齿轮33对称安装在锥齿轮轴30上；锥齿轮轴30一端通过轴承固定在支架40上，一端与联轴器38相连；联轴器38安装在第三电机39的电机轴上；第三电机39安装在支架40侧面，通过螺钉的方式连接。针进给装置3的传动为单级传动，小锥齿轮与大锥齿轮的传动比为：

式(1)中t₁和ω₁分别为小锥齿轮(31)的齿数和角速度，t₂和ω₂分别为大锥齿轮(32)的齿数和角速度。

如图5所示，针装配包括刚性针筒7、柔性针套8、预弯的柔性针芯9。柔性针套8套在柔性针芯9外侧，刚性针筒7套在最外侧，刚性针筒、柔性针套一端与针筒固定件44相连，另一端与针筒支撑61配合；针筒支撑61安装在挡板6上，通过螺栓的方式连接。柔性针芯的头部由针芯夹头夹持，另一端穿过齿条的中心孔(该孔径大于柔性针芯外径，便于其转动)，穿入针筒固定件处的柔性针套内。刚性针筒为可伸缩结构，以便于整个机构进给退回运动。

预弯的柔性针芯9，预弯的轨迹为抛物线，针尖斜面角度为45度，预弯长度为15mm，其轨迹公式为：

式(2)为以柔性针套末端圆心为原点的直角坐标系中的抛物线公式，其中x为针芯末端进给量。如图6所示，图中为柔性探针***琼脂中的轨迹，轨迹1为针芯末端进给量x为0mm时***形成的轨迹；轨迹2为针芯末端进给量x为15mm时***形成的轨迹。根据数据得到如图7的针轨迹图，轨迹1的曲率半径为187.4mm,轨迹2的曲率半径为62.9mm，当针芯末端进给量x为x₀(0mm≤x₀≤15mm)时，其对应的轨迹曲率半径R₀的范围为[62.9mm,187.4mm]。

本发明基于分离针芯进给实现可控连续曲率的预弯针穿刺机构的工作流程如下：

首先，第一电机14启动，在联轴器13的作用下，丝杠11旋转，使得丝杠滑台12稳定进给，致使柔性针套8进入待穿刺组织(此时柔性针芯随柔性针套同一运动，刚性针筒位于针筒支撑与针筒固定件之间，并可伸缩)。

然后，启动第三电机39，通过锥齿轮传动装置、齿轮齿条传动装置使齿条在固定平台顶部滑动，使与第二滑块相连的针芯夹头推动柔性针芯在柔性针套内位移，即柔性针芯的伸出柔性针套外，实现柔性针芯的进给，此时六角轴在第二滑块的作用下与旋转轴分离，柔性针套不再进给运动；

使柔性针芯9末端进给量x在0mm到15mm连续变化，使得穿刺轨迹的曲率半径可以取到区间[62.9mm,187.4mm]内的任一值，而曲率为曲率半径的倒数，从而可以实现一定范围内可控连续曲率的变化。

接着，启动第二电机27，旋转柔性针芯9，使其满足已规划的路径。当进给过程中，路径需要偏转时，需要反转第三电机39，使柔性针芯9退回柔性针套8内，使针芯末端进给量x为0mm；再启动第二电机27，旋转柔性针芯9，最后正转第三电机39，使柔性针芯9回到初始位置；因为针芯旋转装置与进给装置不耦合，以上操作可有效避免针芯旋转对组织的伤害，减少摩擦对针芯旋转的影响。

最后，再次启动第一电机14，使柔性针芯9和柔性针套8一同进给，作所需曲率的弧线运动。

本发明提供的穿刺机构及穿刺方法，其特点在于可以控制穿刺弧线的曲率大小，使其在实际应用时可以更加灵活的应对复杂的避障情况，同时对于不可避免的穿刺误差做出调整补偿，提高靶向穿刺的精确性，具有很大的市场前景和推广价值。