[发明专利]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

说明书

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。

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：