(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210684838.1 (22)申请日 2022.06.17 (71)申请人 南京医科 大学 地址 211100 江苏省南京市江宁区龙眠大 道101号 (72)发明人 李亮　向文涛　王超　朱松盛　 刘宾　周宇轩　王伟　李建清　 (74)专利代理 机构 南京天华专利代理有限责任 公司 32218 专利代理师 李德溅　徐冬涛 (51)Int.Cl. A61B 17/34(2006.01) A61B 34/30(2016.01) B25J 9/16(2006.01) B25J 11/00(2006.01) (54)发明名称 一种超声引导机器人辅助穿刺装置及其使 用方法 (57)摘要 本发明公开了一种超声引导机器人辅助穿 刺装置及其使用方法， 辅助穿刺装置包括横转支 架、 俯仰支架和四自由度定位定向装置， 横转支 架刚性固定在超声成像探头上且俯仰支架安装 在横转支架的圆弧形导轨上， 俯仰支架能够绕超 声成像探头转动； 安装在俯仰支架枢轴上的四 自 由度定位定向装置能够相对横转支架俯仰转动； 四自由度定位定向装置内置能够分别独立沿X轴 方向、 Y轴方向行进且上下平行布置的上平面末 端法兰和下平 面末端法兰用于安装穿刺针； 使 得 穿刺针能够相对超声成像探头作六个自由度的 位姿调整。 使用时能够根据超声病灶位置多自由 度精准调整穿刺位姿， 实现目标区域准确穿刺引 导。 本发明的装置能够多自由度可控调整以及任 意位置的自动穿刺引导。 权利要求书5页 说明书13页 附图14页 CN 115054332 A 2022.09.16 CN 115054332 A 1.一种超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 该辅助穿刺装置包括横转支架 (4)、 俯仰支架(5)和四自由度定位定向装置(6)， 横转支架(4)刚性固定在超声成像探头(3) 上且俯仰支架(5)安装在横转支架(4)的圆弧形导轨(40)上， 使得俯仰支架(5)能够沿圆弧 形导轨(40)部分绕超声成像探头(3)转动； 四自由度定位定向装置(6)安装在俯仰支架(5) 的枢轴上、 使得四自由度定位定向装置(6)能够相 对横转支架(4)俯仰转动； 四自由度定位 定向装置(6)内上下平行布置的上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)用于安装穿 刺针(7)， 上平面末端法兰(64)和下平面末端法兰(610)皆能够分别独立沿X轴方 向、 Y轴方 向行进， 使 得穿刺针(7)能够在四自由度定位定向装置(6)内实现沿X轴方向和Y轴方向的双 向平移、 以及绕X轴和Y轴的双向偏转； 进而使得穿刺针(7)能够相 对超声成像探头(3)作俯 仰和横转 二自由度的大 范围可控运动以及四自由度的精细可控运动。 2.根据权利要求1所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的超声成像探 头(3)与电脑控制器(1)信号连接且电脑控制器(1)通过超声图像显示器(2)显示超声图像； 所述的电脑控制器(1)能够控制四自由度定位定向装置(6)中驱动上平面末端法兰(64)和 下平面末端法兰(610)行进的运动模组。 3.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的上平面 末端法兰(64)和下平 面末端法兰(610)通过用于引导穿刺针(7)的引导套筒(65)串接， 引导 套筒(65)为一空心圆管结构或空心圆柱槽结构、 使得穿刺针(7)能够沿引导套筒(65)的轴 向滑动； 所述的引导套筒(65)能够相对上平面末端法兰(64)转动， 所述的引导套筒(65)能 够相对下平面末端法兰(610)转动、 且相对下平 面末端法兰(610)沿引导套筒(65)的轴向滑 动。 4.根据权利要求3所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的上平面末端 法兰(64)内置有上法兰球形凹槽(67)且下平面末端法兰(610)内置有下法兰球形凹槽 (612)， 引导套筒(65)上刚性连接的上法兰连接球(66)安装在上法兰球形凹槽(67)内且上 法兰连接球(66)与上法兰球形凹槽(67)构成球连接副相互运动； 下法兰球形凹槽(612)内 设有下平面连接球(611)且两者构成球连接副相互运动， 引导套筒(65)下穿过下平面连接 球(611)的中心孔且引导套筒(65)能够相对下平面连接球(611)转动以及沿中心孔的轴向 进行滑动。 5.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的上平面 末端法兰(64)安装在上平 面Y方向运动模组(63)的运动端 上、 上平面Y方向运动模组(63)的 固定端安装在上平面X方向运动模组(62)的运动端上且上平面X方向运动模组(62)的固定 端安装在四自由度定位定向装置(6)的基座(60)上， 所述的下平 面末端法兰(610)安装在下 平面Y方向运动模组(69)的运动端上、 下平面Y方向运动模组(69)的固定端安装在下平面X 方向运动模组(68)的运动端 上且下平 面X方向运动模组(68)的固定端安装在四自由度定位 定向装置(6)的基座(60)上， 上述的上平面X方向运动模组(62)、 上平面Y方向运动模组 (63)、 下平面X方向运动模组(68)、 下平面Y方向运动模组(69)皆分别与电脑控制器(1)信号 连接且电脑控制器(1)能够分别控制上平面X方向运动模组(62)、 上平面Y方向运动模组 (63)、 下平面X 方向运动模组(68)和下平面Y方向运动模组(69)的运行。 6.根据权利要求5所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述上平面X方向 运动模组(62)、 上平面Y方向运动模组(63)、 下平面X方 向运动模组(68)、 下平面Y方 向运动权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115054332 A 2模组(69)的驱动机构皆采用伺服电机， 且伺服电机分别与电脑控制器(1)信号连接并接受 电脑控制器(1)的控制； 所述的上平面X方向运动模组(62)、 上平面Y方 向运动模组(63)、 下 平面X方向运动模组(68)、 下平面Y方向运动模组(69)分别对应配置有电机传感器， 且电机 传感器分别与电脑控制器(1)信号连接以实时传递各对应运动模组的精确运动位置 。 7.根据权利要求1所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述圆弧形导轨 (40)的圆心轴线与超声成像探 头(3)的超声成像平面中轴线重合。 8.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的圆弧形 导轨(40)上设有均布的弹性卡槽(4)， 弹性卡槽(4)能够嵌入 俯仰支架(5)的连接端， 使 得俯 仰支架(5)能够在圆弧形导轨(40)上设定的角度稳定停止； 所述的俯仰支架(5)上设有弹性 卡槽(4)且 该弹性卡槽(4)能够嵌入 俯仰支架(5)的枢轴， 使 得四自由度定位定向装置(6)能 够相对俯仰支 架(5)作设定角度的俯仰转动。 9.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的横转支 架(4)上设有编码器测量俯仰支架(5)的横转角度且编码器能够将角度信息发送给电脑控 制器(1)； 所述的俯仰支架(5)上设有编码器测量四自由度定位定向装置(6)的俯仰角度且 编码器能够将角度信息发送给电脑控制器(1)。 10.根据权利要求1或2所述超声引导机器人辅助穿刺装置， 其特征在于： 所述的横转支 架(4)上设有能够自动调整和测量俯仰支架(5)横转角度的伺服电机、 且该伺服电机与电脑 控制器(1)信号连接并接受电脑控制器(1)的控制； 所述的俯仰支架(5)上设有 能够自动调 整和测量四自由度定位定向装置(6)俯仰角度的伺服电机、 且该伺服电机与电脑控制器(1) 信号连接并接受电脑控制器(1)的控制。 11.一种超声引导机器人辅助穿刺装置的使用方法， 其特征在于： 在确定超声成像系统 坐标系Ous下的超声图像指定目标位置为usPtarget和超声图像目标穿刺方向向量为usVtarget的 情况下， 穿刺针的位姿自动调整方法步骤如下： 第一步： 计算四自由度定位定向装置的基坐标系Oro下的穿刺路径直线方程， 根据式(7) 的四自由度定 位定向装 置的基坐标系Oro下的目标位置变换方程和式(8)的四自由度定 位定 向装置的基坐标系Oro下的目标方向变换方程计算出usPtarget、usVtarget在四自由度定位定向 装置的基坐标系Oro下的穿刺针目标位置roPtarget和穿刺针目标穿刺方向向量roVtarget， 同时 在四自由度定位定向装置的基坐标系Oro下的穿刺路径直线方程由式(9)表示： roPtarget＝roTus( θ1, θ2)·usPtarget                        (7) roVtarget＝roTus( θ1, θ2)·usVtarget‑roTus( θ1, θ2)·[0,0,0,1]T        (8) 式(7)、 (8)、 (9)中：roPtarget为四自由度定位定向装置的基坐标系Oro下的穿刺针目标位 置；roTus( θ1, θ2)为超声成像系统坐标系Ous与四自由度定位定 向装置的基坐标系Oro之间的 相对坐标转换关系矩阵、 其为θ1和 θ2的函数， θ1为俯仰支架沿圆弧形导轨绕超声成像探头的 横转角度， θ2为四自由度定位定向装置相对横转支架的俯仰角度；usPtarget为超声成像系统 坐标系Ous下的超声图像指定目标位置；roVtarget为四自由度定位定