面向微小電極植入的多功能集成手術設備制造技術

一種面向微小電極植入的多功能集成手術設備，包括：基臺以及依次設置于其上的X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組以及末端執行模組，其中：R軸旋轉驅動模組通過轉軸與末端執行模組相連，基臺上設有雙目結構光相機和工業電子顯微鏡；X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組實現對末端執行模組的XYZR四個自由度的轉動控制，本裝置能有效提高微小電極植入手術的安全性，縮短手術時間，實現手術創傷最小化。實現手術創傷最小化。實現手術創傷最小化。

【技術實現步驟摘要】
面向微小電極植入的多功能集成手術設備


[0001]本專利技術涉及的是一種醫療工具領域的技術，具體是一種面向微小電極植入的多功能集成手術設備。

技術介紹

[0002]在動物腦科學研究領域，用來采集腦電信號或者對腦部施加電刺激的金屬電極的直徑約為0.1mm左右。面向這類微小電極的植入手術往往給醫生帶來巨大的操作難度，因為電極的細小不僅讓醫生難以肉眼定位其位置，還極其容易彎折導致電極植入位置不準確甚至植入失敗，這樣也就無法進行后續腦科學的研究。
[0003]使用腦立體定位儀輔助手動植入電極。目前國內外做動物腦科學研究的實驗人員通常會使用腦立體定位儀來輔助植入電極。腦立體定位儀主要由多個步進移動模組、動物腦部固定器、電極夾持桿和控制器，其中：在電極植入手術過程中，實驗人員首先將動物腦部通過固定器固定好，然后將要植入的微小電極手動設置于電極夾持桿上，再根據肉眼標記要植入的位置，用手持式顱鉆對動物腦部標記處進行顱骨鉆孔，并穿刺動物腦膜，最后使用控制器手動調節步進移動模組，讓電極運動到動物顱骨小孔的上分，進而慢慢手動調節向下植入電極(該手術過程省略一些諸如毛皮去除、擦除血跡、后處理打膠固定電極等次要手術操作)。其存在的缺陷為：
①
人為肉眼判斷電極植入的位置進行標記，且在對準植入的時候也是肉眼判斷的，給植入位置精度帶來較大誤差；
②
顱骨鉆孔、電極安裝、腦膜穿刺和電極植入均為手動操作，過程繁雜耗時，且對醫生的操作要求很高，需要根據經驗判斷顱骨是否鉆穿、腦膜是否刺破、電極是否植入；
③
整個手術在手動操作的情況下，出血較為嚴重，帶來較大的創傷。
[0004]使用加固裝置自動植入電極。哈佛大學研發一種加固裝置輔助電極植入，加固裝置由外圍的剛性支架和內部的半柔性支架，其中：首先將微小電極裝入一個套管中，套管與可豎直上下移動的驅動模組連接。在套管頂住微小電極往瓊脂中植入(大鼠腦組織模擬物)時，加固裝置保證電極不彎曲而順利植入，隨著套管慢慢下降，擠開半柔性支架，保證能將電極植入到更深處，直到套管觸碰到下方的剛性支架為止，完成電極植入。其存在的缺陷為：
①
加固裝置占據較大空間，若要植入多根電極，則電極之間要保持足夠的距離，但在腦科學研究領域往往需要植入多根電極且排布較為緊密，這樣才能在某一個腦區采集足夠多的神經元電信號，顯然這種加固裝置大大限制后續腦科學的研究，這顯然不可取；
②
該方法僅僅實現自動化植入電極這一種功能，對于整個微小電極植入手術來說自動化程序遠遠不夠，還是需要大量的人為操作。
[0005]現有輔助定位植入電極的手術機器人如ROSA、NeuroArm、iSys1、Sewing Machine等主要采用主從控制或者半自動的方法，仍需要有經驗的醫生在術前進行大量練習，在術中完成很多無法自動化實現的手術任務。此外，諸如ROSA、達芬奇手術機器人這一類六軸串聯機械臂形式的神經手術機器人，雖然其運動范圍廣，但系統缺少必要的反饋系統實現閉環控制，手術執行精度大多在毫米級，無法滿足微小電極夾持與植入所需的精度。因此，目
前面向神經電極植入的手術機器人的集成化、自動化、精度和效率都有很大的改進空間。

技術實現思路

[0006]本專利技術針對現有手術導航及機器臂技術無法根據識別的靶點位置自動作業，也無法自動抓取微小電極進行精細自動化操作的不足，提出一種面向微小電極植入的多功能集成手術設備，能有效提高微小電極植入手術的安全性，縮短手術時間，實現手術創傷最小化，
[0007]本專利技術是通過以下技術方案實現的：
[0008]本專利技術涉及一種面向微小電極植入的多功能集成手術設備，包括：基臺以及依次設置于其上的X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組以及末端執行模組，其中：R軸旋轉驅動模組通過轉軸與末端執行模組相連，基臺上設有雙目結構光相機和工業電子顯微鏡；X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組實現對末端執行模組的XYZR四個自由度的轉動控制。
[0009]所述的末端執行模組包括：底座以及設置于其上的滑塊、單目相機模塊、腦膜穿刺模塊、顱骨鉆孔模塊、電極抓取植入模塊、轉動抱緊模塊、轉動換位模塊和重力平衡氣缸，其中：底座與轉軸相連，通過轉軸驅動整個末端執行模組實現R軸旋轉自由度的運動，滑塊滑動設置于底座上，重力平衡氣缸的缸體設置于底座上，其缸桿與滑塊相連以平衡末端執行模組的滑塊承載的各模塊的重力，單目相機模塊固定設置于底座上，腦膜穿刺模塊設置于滑塊的底部，轉動換位模塊設置于滑塊的前方，顱骨鉆孔模塊和電極抓取植入模塊分別設置于轉動換位模塊的換位安裝板上，轉動抱緊模塊設置于轉動換位模塊的換位模塊底座下方。
[0010]所述的多功能集成手術設備上進一步設有控制模塊，該控制模塊包括：基臺控制單元和末端執行模組控制單元，其中：基臺控制單元根據雙目結構光相機拍攝并處理的靶點信息，進行基臺各模組的運動規劃處理，移動末端執行模組至預定位位置；末端執行模組控制單元根據基臺運動完成信息和單目相機拍攝圖像信息，進行各手術功能模塊的運動規劃處理，依次執行顱骨鉆孔作業、腦膜穿刺作業和電極抓取與植入作業。技術效果
[0011]本專利技術通過可速度閉環控制的無刷電機和定制的主軸、顱鉆抱緊件提供穩定高速的顱骨鉆削運動，通過直線電機提供高位置精度的開顱進給運動，共同實現顱骨鉆孔作業；通過直線電機提供穩定的穿刺驅動力，通過穿刺力傳感器衡量穿刺過程的平穩性，并且提供腦膜穿破的終止信號，實現腦膜穿刺作業；通過電動夾爪自定位抓取微小電極，通過直線電機提供穩定的電極植入驅動力，通過植入力傳感器保證植入過程的穩定性，避免電極彎折，通過直線電機動子的位置反饋信號保證微小電極植入到目標腦區的深度；通過定制的旋轉換位、旋轉抱緊模塊，將上述三種功能的手術執行模塊集成化，高效切換各模塊至所需作業位置，且保證了各模塊執行作業的穩定性。
[0012]與現有技術相比，本裝置的性能提升顯著：
①
顱骨鉆孔模塊可穩定輸出10000轉/分鐘的轉速，移動至靶點、鉆孔進給以及退回至原位整個作業時長小于3分鐘；
②
腦膜穿刺模塊可測得mN級穿刺力，0.2mm不銹鋼微針可穿刺腦膜，整個作業時長小于1分鐘；
③
電極抓取植入模塊可一致地抓取微小電極，將電極植入到約7mm深的目標腦區，整個作業時長小于
4分鐘，電極成功植入到目標深度且不彎折的概率為90％；
④
末端執行模組的總質量為2kg，多功能、高集成、輕量化。
附圖說明
[0013]圖1為去除末端執行模組的設備整體示意圖；
[0014]圖2為末端執行模組的整體示意圖；
[0015]圖3為單目相機模塊示意圖；
[0016]圖4為腦膜穿刺模塊示意圖；
[0017]圖5為顱骨鉆孔模塊(隱藏保護外殼)示意圖；
[0018]圖6為電極抓取植入模塊示意圖；
[0019]圖7本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征在于，包括：基臺以及依次設置于其上的X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組以及末端執行模組，其中：R軸旋轉驅動模組通過轉軸與末端執行模組相連，基臺上設有雙目結構光相機和工業電子顯微鏡；X軸直線驅動模組、Y軸直線驅動模組、Z軸直線驅動模組、R軸旋轉驅動模組實現對末端執行模組的XYZR四個自由度的轉動控制。2.根據權利要求1所述的面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征是，所述的末端執行模組包括：底座以及設置于其上的滑塊、單目相機模塊、腦膜穿刺模塊、顱骨鉆孔模塊、電極抓取植入模塊、轉動抱緊模塊、轉動換位模塊和重力平衡氣缸，其中：底座與轉軸相連，通過轉軸驅動整個末端執行模組實現R軸旋轉自由度的運動，滑塊滑動設置于底座上，重力平衡氣缸的缸體設置于底座上，其缸桿與滑塊相連以平衡末端執行模組的滑塊承載的各模塊的重力，單目相機模塊固定設置于底座上，腦膜穿刺模塊設置于滑塊的底部，轉動換位模塊設置于滑塊的前方，顱骨鉆孔模塊和電極抓取植入模塊分別設置于轉動換位模塊的換位安裝板上，轉動抱緊模塊設置于轉動換位模塊的換位模塊底座下方。3.根據權利要求1或2所述的面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征是，進一步設有控制模塊，該控制模塊包括：基臺控制單元和末端執行模組控制單元，其中：基臺控制單元根據雙目結構光相機拍攝并處理的靶點信息，進行基臺各模組的運動規劃處理，移動末端執行模組至預定位位置；末端執行模組控制單元根據基臺運動完成信息和單目相機拍攝圖像信息，進行各手術功能模塊的運動規劃處理，依次執行顱骨鉆孔作業、腦膜穿刺作業和電極抓取與植入作業。4.根據權利要求3所述的面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征是，所述的雙目結構光相機的視野覆蓋整個模擬動物腦，提供手術實時場景；工業電子顯微鏡的方向與雙目結構光相機的方向相垂直，從而觀測電極植入的成功率以及測量電極植入的位置精度。5.根據權利要求2所述的面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征是，所述的腦膜穿刺模塊包括：力傳感器安裝座、穿刺力傳感器、通針安裝座和通針，其中：力傳感器安裝座與滑塊固定連接，通針通過緊定螺釘固定于通針安裝座上，穿刺力傳感器一端安裝通針安裝座，另一端固定于力傳感器安裝座上。6.根據權利要求2所述的面向微小電極植入的多功能集成手術設備，其特征是，所述的轉動換位模塊包括：換位旋轉電機、小齒輪、非完全大齒輪、換位模塊...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱向陽，陳漢威，韓博，劉超，盛鑫軍，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：