CN120826199A - 一种具有嵌套机器人的手术持针器立体定位装置 - Google Patents

Abstract

一种包含一对嵌套机器人的定位装置，适用于磁共振引导实时成像、头戴式双侧立体定向神经外科手术。具体而言，该定位装置适用于在神经外科手术中定位管状/针状器械的持针器。该定位装置在保持足够工作空间(±35°)的同时，还具有轻量化(203克)和紧凑化(直径81毫米×高度97毫米)的特点，能够安装在颅骨上并用于大多数标准成像头部线圈内。五连杆结构能够在切口部位(颅骨上的钻孔)周围预留出暴露空间，以便进行操作和观察。该机器人系统分两个阶段运行：i)由外科医生交互式地在大工作空间内进行手动粗调；ii)随后由流体驱动的柔性致动器在局部运动范围内进行自动微调。

Description

一种具有嵌套机器人的手术持针器立体定位装置

发明领域

本发明涉及立体定向手术中管状手术工具持器的机器人定位装置领域，该定位装置可安装在患者身体上。

背景技术

在立体定向手术中，用于控制套管装置或活检针的典型机器人定位器依赖于大型立体定向框架，该框架刚性安装在颅骨上，以便仪器相对于三维坐标系进行定向。近年来，MRI硬件、成像协议和线圈的进步使其成为实时图像引导干预的有效选择。然而，在磁共振环境中实现设备自动化存在困难，因为典型的机器人往往由金属或磁性部件制成，这些部件会对磁共振图像造成干扰。此外，大多数机器人在设计时没有考虑到核磁共振机器内部空间有限(患者需处于该空间内)的问题。

一些定位器，如Clearpoint^TM品牌下的定位器，需要外科医生使用长距离手动手柄手动调整定位器。外科医生必须在重复磁共振成像的帮助下，反复尝试将持针器放置到目标位置，直到准确到位为止。

同一发明人在WO2019144904A1中提出了一种装置，其中两个细长的脑深部刺激针(长度300毫米，直径1.3毫米)由双立体定向框架分别引导。每个框架包括安装在公共平台上的上致动器和下致动器，该平台通过螺钉安装在患者的颅骨上。这对框架不能以不同角度分别安装在颅骨上，并且致动器相互之间的运动超出了装置的原始占地面积，使得框架全范围运动所需的空间比看起来更大。

因此，需要一种用于杆状末端执行器立体定向定位的手术定位器，其结构坚固且占用空间相对较小，为脑深部刺激手术等应用中的双装置留出安装空间。

发明内容

在第一方面，本发明提出了一种用于手术持针器的定位装置，包括一个安装在第一机器人内的第二机器人；第二机器人可用于夹持手术持针器，并在工作空间内移动手术持针器，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐；第一机器人可用于夹持并在工作空间内移动第二机器人，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐。

可选地，第一机器人具有球形五杆串联结构。也可以使用其他第一机器人，甚至是现有技术中的那些，这样第二机器人就可以对这些现有技术中的机器人进行升级。

因此，优选第二机器人是可更换的。

通常，第二机器人能够独立于球形五杆串联结构的机构，围绕运动中心调整手术持针器的位置。

一个实施例包括一对用于夹持和移动手术持针器的嵌套机器人。这些机器人能够以不同的运动分辨率移动手术持针器。例如，球形五杆串联结构可响应手动控制来移动持针器，而第二机器人则可通过软件自动化更精细地调整手术持针器的位置。

优选地，该定位装置还包括一个预定颜色的发光装置，用于指示手术持针器的位置在目标位置的预定误差范围内；其中，由误差范围定义的空间范围等于或小于第二机器人能够移动手术持针器的工作空间。

这一特征使得外科医生无需依赖多次磁共振成像来判断持针器是否已移动到与所需持针器位置存在误差范围内的位置。

优选地，该定位装置还包括一个弯曲的基杆；基杆弯曲的弧角使得基杆能够以整个弯曲部分接触普通人头部的某个位置。

尽管并非在所有情况下都严格如此，但这一特征通常促使制造商生产出尺寸适合安装在患者头部的定位装置，并为在头部其他部位安装双定位装置或任何其他适当尺寸的装置提供足够空间，同时使安装有双定位装置的患者头部能够放入典型的磁共振头部线圈中。

优选地，球形五杆串联结构包括：弯曲的基杆；弯曲的基杆具有两个端部；弯曲基杆的一端可旋转地连接到第一双杆串联连杆臂的近端；弯曲基杆的另一端可旋转地连接到第二双杆串联连杆臂的近端；第一臂的远端和第二臂的远端通过相互张力配合，起到球形五杆串联结构的远端连杆的作用；其中，球形五杆串联结构夹持第二机器人并使其与远端连杆对齐移动。

远端连杆不一定由物理连杆构成。功能性的远端连杆与物理远端连杆效果相同。此外，它还具有在需要时可使远端连杆分离的优点。

通常，第一臂的远端夹持手术持针器；第二臂的远端夹持第二机器人；所述相互张力是一种将手术持针器和第二机器人向相反方向推动的力，其作用对象是防止手术持针器与第二机器人分离的装置。

这确保了当手动推动持针器时，第二机器人能与第一机器人协同运动，且避免了在第一机器人静止时，持针器相对第一机器人带动第二机器人移动的情况。

优选地，第二机器人包括一个运动导向装置，该装置被固定在第二臂的远端；第一臂的远端能够与该运动导向装置配合，使持针器围绕球形五杆串联结构的同一中心在弯曲平面内实现两个自由度的运动，且不受第二臂相应运动的影响。

如实施例中所解释的，运动导向装置可以是圆顶和滑块的形式，其曲率可引导持针器在工作空间内围绕中心运动。也可采用其他任何能引导持针器围绕中心在弯曲平面内实现两个自由度运动的方法。

可选地，持针器这种独立于第二臂相应运动的移动通过自动化方式实现。

优选地，所述自动化通过聚合物波纹管的液压驱动实现；基座关节和肘部关节为基于陶瓷和聚合物的旋转关节；且该装置包括用于将持针器位置相对于第二臂固定的颗粒阻塞包。

上述特征使该定位装置适合在磁共振环境中部署，且不会对磁共振成像造成干扰。

在第二方面，本发明提出了一种嵌套式运动导向装置，用于安装到被嵌套的运动导向装置中，该嵌套式运动导向装置被配置为夹持手术持针器并使其与运动中心保持立体定向对齐；且被嵌套的运动导向装置被配置为夹持并移动嵌套式运动导向装置和手术持针器，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐。

优选地，嵌套式运动导向装置的运动可通过软件自动化来控制。

在另一方面，本发明提出了一种将手术持针器定位到与患者体内手术目标对齐的方法，该方法包括以下步骤：移动被嵌套的运动导向装置，该装置夹持着嵌套式运动导向装置，而嵌套式运动导向装置则夹持着手术持针器，使其远离患者身体上的开口并围绕该开口运动，该开口与被嵌套的运动导向装置的运动中心重合；使手术持针器在误差范围内与该开口和手术目标对齐；围绕该开口作为嵌套式运动导向装置的运动中心，移动嵌套式运动导向装置，且不受被嵌套的运动导向装置相应运动的影响；使手术持针器以更小的误差范围与该开口和手术目标对齐。

优选地，移动嵌套式运动导向装置包括采用软件控制的自动化方式。

可选地，该方法包括一个前置步骤：将嵌套式运动导向装置安装到被嵌套的运动导向装置中。通常，这包括调整嵌套式运动导向装置与被嵌套的运动导向装置的运动中心之间的距离，使被嵌套的运动导向装置的运动中心与嵌套式运动导向装置的运动中心相同。

附图说明

结合附图对本发明进行进一步描述将更为便捷，这些附图示出了本发明的可能结构，其中相同的整数指代相同的部件。本发明还可以有其他结构，因此，附图的具体细节不应被理解为取代了前面描述的发明的一般性。

图1示出了一项现有技术；

图2示出了本发明的一个实施例；

图3用于解释应用该实施例的效果；

图4示出了该实施例中所用结构的原理；

图5也示出了该实施例中所用结构的原理；

图6示出了该实施例的一个部件；

图7示出了该实施例中所用的机构；

图8示出了该实施例的一个部件；

图9是该实施例的分解图；

图10是该实施例的另一分解图；

图11示出了该实施例所具备的一项功能；

图12是该实施例的另一分解图；

图13是该实施例的另一分解图；

图14示出了该实施例的另一特征；

图15也示出了应用该实施例的效果；

图16示出了该实施例的一种应用；

图17示出了本发明的另一实施例；

图18示出了本发明的又一实施例；

图19更详细地示出了图18的实施例；

图20单独示出了图18的实施例及其持针器；

图21示出了图18的实施例嵌套在现有技术装置中的情况；

图22示出了图18的实施例嵌套在现有技术装置中的情况；

图23示出了图18的实施例嵌套在一种可能的现有技术装置中的情况。

具体实施方式

立体定向神经外科手术的例子包括活检、脑深部刺激(DBS，可能涉及向大脑特定位置施加电脉冲或将治疗性物体植入大脑深部位置)、消融等。管状器械的例子包括手术针、套管装置、活检针或消融棒等。在本说明书的其余部分中，这些器械将统称为“手术针”。本领域技术人员应当理解，这包括所有通过身体任何部位的切口插入的细长或管状装置，无论其是刚性的还是柔性的。

为了使手术针能够进入患者头部内部，需在其颅骨300上开一个钻孔301以提供入口。图2示出了一种定位装置，其配置为可安装到患者的颅骨300上，包括嵌套机器人，用于夹持针导向器(也称为持针器201)，使其与作为远程运动中心(RCM 501)的钻孔301保持立体定向对齐。远程运动中心是指一个远程固定点，该点处没有物理旋转关节，但机构或其一部分可围绕该点旋转。

该定位装置具有一个外部机器人和一个微调机器人202，外部机器人采用球形五杆串联结构，微调机器人202安装在球形五杆串联结构的远端连杆中。持针器201穿过微调机器人202延伸而出。手术持针器201能够夹持手术针并使其进行直线移动。要精确到达手术目标303，持针器201提供的轨迹必须是直线，且与钻孔301和手术目标303对齐。两个机器人具有相同的远程运动中心(RCM 501)，并且都只能以立体定向的方式在假想球体的曲面上移动持针器201，其放置方式确保远程运动中心501与钻孔301重合。外部机器人可通过手动操作，使持针器201围绕钻孔301移动到在可接受误差范围内与手术目标303对齐的位置。随后，通过软件使微调机器人202自动运行，将持针器201移动到与手术目标303更精确对齐的位置。

采用球形五杆串联结构有助于限制定位装置的尺寸，使得大多数实施例能够适配患者头部，并放入核磁共振机器的头部线圈内。然而，这也限制了持针器201的尖端与远程运动中心501之间的距离。持针器201尖端与远程运动中心501之间的短距离移动(起到支点作用)，对于远程运动中心501与手术目标303之间相对较长的距离而言，可能对手动调整过于敏感。图3对此进行了说明，该图显示手术目标303位于远程运动中心501的另一侧。手术目标303距离远程运动中心501越远，持针器201尖端的每一个微小移动，都会导致远程运动中心501后方的长针产生越大的摆动。

要理解球形五杆串联结构的机制，先考虑图4所示的平面五杆串联结构会更容易。最简单的平面五杆串联结构由五个相同的细长扁平杆组成。每个杆的两端分别与另一个杆的端部通过关节连接，该关节可在与两个杆堆叠端部平行的平面内旋转，且每个关节的轴线垂直于相应堆叠端部所在的平面。以圆圈标记的远端关节可在该平面内处于不同位置。面向主关节的杆为基杆207，其固定在一个表面上，为其他四个杆的运动提供支撑。换言之，该结构包括一个固定的基杆207，基杆有两个端部；从两个端部分别延伸出一个由两个串联连接的杆组成的臂，即双杆串联连杆；两个臂的远端相连，形成五杆环的远端关节。为便于区分，每个臂中间的关节称为肘节203，每个臂的近端与基杆207之间的关节称为基节205。将远端关节拉到任何位置，都需要其他四个杆的位置以及所有关节的角度做出相应调整。平面五杆串联结构只能在与轴线垂直的平面内移动，沿z轴和x轴具有两个自由度。任何试图将远端关节抬离该平面的力，都会被从基杆207向不同方向延伸的两个臂以机械方式抵抗。

简单的球形五杆串联结构与平面五杆串联结构类似，但有一个额外特征：五个关节的轴线都与预定半径的假想球体中心对齐，如图5所示。这些杆是细长的叶片，具有宽截面和薄边缘，且叶片沿其长度方向弯曲。如图6所示，每个弯曲杆之间的关节由一个枢轴形成，该枢轴垂直穿过两个相关叶片堆叠端部所在的平面。每个杆两端关节的轴线601在杆的凹侧汇聚到一个共同的原点，该原点即为假想球体的中心。这种结构将肘节和远端关节的运动限制在假想球体表面的弯曲平面内，使轴线601始终指向球体中心。

优选地，这些杆在其中部宽度处设有至少一个沿杆长度方向延伸的肋条，以防止杆的凹侧下垂。

远端关节在弯曲平面内的运动存在限制，这取决于球形五杆串联结构的长度或弧角，而这也定义了球形五杆串联结构的工作空间。一般来说，杆的弧角越大，工作空间就越大，但整个球形五杆串联结构也会更庞大，甚至可能占据钻孔301周围的手术区域。建议将两个近端杆的弧角设为70度，两个远端杆的弧角设为60度，以在工作空间的整体范围和定位装置200的尺寸之间取得良好平衡，即适合安装在核磁共振头部线圈内的颅骨300上，并能提供±38度的工作空间(通过运动学分析得出)。通常，为避免持针器201处于工作空间的极限位置，会在关节上施加机械约束，将工作空间限制在±30度。需要注意的是，只要关节的轴线601与假想球体的中心对齐，叶片长度方向上的曲线就不必与假想球体表面的曲率相同，例如，杆的端部可以相对于杆身弯曲一定角度。

连接这些杆的首选关节类型是旋转关节，它能在两个相连的杆之间围绕关节轴线提供一个自由度，并限制杆之间的相对滑动。持针器201相对于假想球体或机器人框架的方位，仅通过其中一个臂的基节205和肘节203的角度即可计算得出，如图7所示。因此，其中一个臂的基节205和肘节203各安装有一个光学编码器211，用于监测并提供相关杆之间的角度数据，据此可实时推断出持针器201的位置。为方便起见，安装有光学编码器211的臂称为编码臂215，另一个臂称为被动臂217。

优选地，两个臂的关节(但至少是被动臂217的关节)可以锁定，以使臂固定不动。如图8所示，在被动臂217的基节205和肘节203上设有基于摩擦的关节制动机构213，用于防止相应旋转关节的转动，这足以固定球形五杆串联结构，从而固定外部机器人。图8展示了这种关节制动系统213，它包括一对摩擦环603(图6中也有显示)，用于挤压旋转关节外杆和内杆之间的橡胶层，瞬间阻止旋转关节的两个杆转动，以确保精确定位。摩擦环603配置为两层堆叠结构，以逆时针和顺时针排列的弧形环绕关节的内表面和外表面，每个环覆盖关节周长的四分之三。每个环的一端固定，另一端连接到鲍登线605，鲍登线将环向下拉，使其与关节接触。这产生了双向制动效果，可防止因旋转关节中杆的制动不平衡而导致关节超过所需位置。为增强制动效果，环的内表面由橡胶材料制成，以增加制动器213的抓力。

优选地，光学编码器211中集成了光纤照明，可用于向外科医生指示相对于手术目标303方位的误差程度。例如，如果持针器201当前位置与目标的偏差超过20度，光纤会发出红光；如果误差在20度到5度之间，光纤会发出紫光；如果误差小于5度，光纤会发出绿光。

优选地，微调机器人202是一种软机器人，由可变形的软质材料制成，这些材料通常是有机材料且具有磁共振惰性。微调机器人202放置在编码臂215远端的下方。图9显示，编码臂215上的远端杆在其中部长度处向上弯曲，且该杆略微加长，以容纳微调机器人202。持针器201被夹持在编码臂215的远端，并与远程运动中心501对齐，同时插入到由被动臂217夹持的微调机器人202中。持针器201除了能绕自身轴线旋转外，没有其他独立运动，它不能相对于该远端杆向任何方向倾斜。相反，持针器201位置的调整是通过编码臂215的肘节203和基节205的角度变化来实现的，这些角度变化可由安装在这些关节上的光学编码器211检测到。

图9也以分解图的形式展示了微调机器人202。可以看出，微调机器人202包含一个外壳，从俯视图看为圆形，不过在其他实施例中也可采用不同的形状。被动臂217通过外壳底座911夹持该外壳。

外壳有一条轴线指向远程运动中心501。外壳顶部是一个盖子901，盖子中间有一个开口，持针器201通过该开口插入微调机器人202。微调机器人202外壳内的所有相关部件各有一个中心开口，且这些开口轴向对齐，以便持针器201能够穿过。外壳底座911也有一个轴向对齐的开口，供持针器201内的手术针穿过。所有开口的直径共同允许针头轨迹有±5度的位置变化，这就是微调机器人202的工作空间，如图10所示。

外壳盖子901下方是一个颗粒阻塞包903，用于将持针器201锁定在微调机器人202上，也就是说，当持针器201的位置微调完成后，定位装置200会被固定，以便插入手术针。

颗粒阻塞包903通过强力胶水或其他固定方式牢固地固定在圆顶905的顶部。圆顶905形似一个倒置的盘子，并被牢固地固定在外壳上。圆顶905的下表面具有与假想球体工作空间曲率相匹配的弧度。圆顶905下方是一个滑块907，该滑块包含三个从其中心径向延伸的叶片，叶片的边缘与外壳的轴线呈径向对齐。叶片的顶面共同形成一个弧度，与圆顶905内表面的弧度完全吻合，因此也与工作空间的曲率相匹配。当定位装置200组装完成后，滑块907套在持针器201上，并固定在持针器201细长主体或杆的特定位置。

在滑块907下方，持针器201的杆插入三个致动器909之间。这些致动器围绕外壳的轴线(因而也是持针器201的杆)均匀分布，彼此间隔120度。致动器909由具有磁共振惰性的聚合物和弹性体材料制成。每个致动器都呈轴对称的波纹管形状，以提供活塞式机构。波纹管形状由沿轴线分布的一系列交替的内褶皱和外褶皱之间的直径差异形成。每个致动器都可通过流体充胀/放气单独驱动。为限制不期望的径向膨胀，较大褶皱顶端的圆周用另一种聚合物材料硬化，使变形优先向伸长方向而非径向膨胀方向发生。

持针器201从滑块907向上延伸的部分被推出圆顶905的开口，朝向编码臂215的远端，但滑块907因尺寸过大而无法穿过圆顶905上的开口。滑块907可防止持针器201有过多长度从圆顶905中伸出。

图11和图12展示了致动器909如何推压插入它们之间的持针器201的杆。每个致动器的力的方向都是向上倾斜的，即一个侧向力向量指向持针器201杆的下部，一个向上的力向量作用在安装在持针器201上的滑块907上。致动器909持续获得最小量的液压供应，使得滑块907始终向上顶压圆顶905。不过，由于这一最小液压也从三个方向(彼此间隔120度)施加在持针器201的杆上，侧向力会相互抵消。每个致动器的另一端向下放置在外壳底座911上，外壳底座为致动器909提供了一个可向下推压的平台，以形成与滑块907所受向上力相反的反作用力，同时也向上顶压牢固固定在外壳上的圆顶905。

通过这种方式，持针器201和编码臂215始终处于张紧状态，避免下垂，这有助于确保持针器201与远程运动中心501之间的距离保持恒定。这使得编码臂215的肘节203和基节的角度可用于精确推断持针器201相对于远程运动中心501的方位。

持针器201和微调机器人202无需物理连接即可形成球形五杆串联结构运动机制来引导持针器201的运动。致动器向上施加在滑块907上并顶压圆顶905的最小压力，足以使持针器201和微调机器人202保持张紧关系，因此它们能够协同运动，就像编码臂215和被动臂217的远端之间存在物理连接的远端关节一样。在微调机器人202外壳内部，滑块907和持针器201相对于圆顶905处于什么位置并不重要，因为圆顶905和滑块907的远程运动中心501与外部机器人的远程运动中心501是相同的。

在最简单的实施例中，基杆207借助安装底座209架在叶片边缘上。安装底座可以很简单，比如是基杆207两端的两块L形板。安装底座209上有几个孔，钛螺钉可穿过这些孔，与颅骨300(或者在身体其他部位进行手术时则是其他扁平骨)上的螺孔啮合。安装底座209还使得基杆207可以被抬起并略微向下转动，以便使基节的轴线601指向钻孔301，实现正确对齐。

在圆顶905和固定在持针器201杆上的滑块907的引导下，持针器201可在圆顶905上孔洞边缘范围内的较小工作空间内移动。滑块907和圆顶905形成了一个物理运动导向装置，使持针器201与远程运动中心501保持立体定向。滑块907上的叶片数量是一个可选的设计特征，例如，可以替换为一个像伞一样围绕持针器201的杆向各个方向延伸的单一弯曲表面。滑块907只需在圆顶905内表面的引导下移动，持针器201就能保持在立体定向工作空间内。优选地，滑块907和圆顶905之间的接触界面会经过预处理以减少摩擦，例如在两个表面上涂抹合适的润滑材料或进行激光处理。

图13是另一幅分解图，再次展示了微调机器人202，但仅包含与持针器201固定相关的部件。这些部件包括颗粒阻塞包903，它环绕着持针器201从圆顶905中伸出的部分。如前所述，颗粒阻塞包903通过胶水或其他方式牢固地固定在圆顶905的上表面。在通过抽出空气激活颗粒阻塞包903之前，包内的颗粒1401能够像流体一样流动。当颗粒阻塞包903因抽气而收缩时，颗粒1401会聚集在一起并相互固定，形成坚硬的固体状态，紧紧夹住穿过包903的持针器201部分。这将持针器201的位置锁定在微调机器人202的外壳上。图14从左到右的图示展示了这一过程。当空气重新进入包903时，硬化状态可逆转回流体状态，从而释放对持针器201的夹持。可选地，编码臂215的肘节203和基节205也可采用与被动臂217关节相同类型的摩擦锁进行锁定，不过通过颗粒阻塞以及锁定被动臂217的肘节203和基节205，可能就足以固定定位装置200。但颗粒阻塞包不会被激活以将持针器201锁定在微调机器人202上，因为持针器201需要能够相对于微调机器人202旋转，以适应编码臂215和被动臂217在不同位置时角度的变化。

部署时，定位装置200安装在颅骨300上的某个位置，使得假想球体的中心与作为远程运动中心501的钻孔301重合。球形五杆串联结构从基杆207向上延伸，其曲线遵循假想球体的轮廓。持针器201被夹持在远端关节501处并与之同轴，可在工作空间内移动到其他位置而不会失去与钻孔301的对齐。外科医生通过推拉通常覆盖有螺帽的持针器201尖端来移动持针器201。

因此，定位装置200在持针器201的定位方面有三种操作模式：粗调模式、微调模式以及固定或冻结模式。

手术前，通过使用MRI和其他成像技术(如计算机断层扫描(CT))对患者进行成像，利用放置在患者身上的标记确定手术目标303的坐标，预先计算出所需的方位。从图像中确定钻孔301的位置、定位装置在颅骨300上的预期安装位置以及持针器201与钻孔301和手术目标303的线性对齐方式。随后，将定位装置200安装在患者颅骨300上合适的位置，该位置应能覆盖目标位置。然后，利用定位装置200上的磁共振标记，在MRI成像环境中对定位装置200与患者头部进行配准或协调。

接着，定位装置进入粗调模式。所有肘节203和基节205都处于松动状态，对持针器201位置的变化做出响应，致动器909被供应最小量的液压，以确保持针器201从微调机器人202外壳顶部最大限度地伸出，从而使持针器201在编码臂215上同轴对齐，并提供由张力产生的远端关节。

外科医生在球形五杆串联结构所定义的工作空间内推动持针器201，使其到达某个位置，此时光纤会发出绿光，表明与手术目标303的误差在±5度范围内，无需查看磁共振图像(使用现有技术设备时，外科医生需要多次进行磁共振成像才能确定持针器201的位置)。在进入微调模式之前，外科医生通过踩踏踏板1601来启动被动臂217的肘节和基节上的制动机构，从而固定球形五杆串联结构。随后，在微调模式下，计算机接管并对持针器201的位置进行精细调整。

根据手术类型的不同，该实施例±5度的精度可能足以到达手术目标303，例如在插入针头注射药物以在较大目标区域扩散的情况下。然而，对于需要极高定位精度的手术，如脑深部刺激手术(要求针头位置与头部深处的手术目标303的误差在2毫米以内)，则需要使用微调机器人202。

当外科医生确定持针定位装置200处于所需位置时，定位装置200会被固定，以提供一个稳定的平台，防止持针器201发生位置偏移。因此，手术针可通过持针器201插入患者体内。手术针的插入可手动进行，也可借助其他机器人辅助完成，这不在本说明的范围内。

相应地，微调机器人202不会使用球形五杆串联结构来移动同一持针器201；在微调过程中，不会使用球形五杆结构的张力诱导远端关节。相反，当通过位置响应自动化来移动持针器201时，微调机器人202会使用预先制造的运动导向装置来维持持针器201的立体定向。通过软件控制，可给一个或两个致动器提供更大的液压，使持针器201和编码臂215相对于固定的被动臂217移动，且不受球形五杆串联结构或外部机器人机构的影响。

持针器201位置的微调可在磁共振实时成像下，通过软件协调致动器909来完成，使其朝着预先计算的手术目标303的位置移动。如果手术目标303在手术过程中发生移动，可将已插入大脑的针头拔出，解锁持针器201，松开臂部肘节203和基节205上的制动器213，然后根据磁共振实时成像所观察到的移动后的手术目标303的位置，使用微调机器人202重新定位持针器201。手术目标303移动到微调机器人202±5度运动空间之外的可能性极小。

图15展示了加入微调工作空间后，总工作空间额外扩展了5度，使总可达工作空间达到±35度。

MRI应用

适用于磁共振实时成像下手术的实施例，其尺寸足够小，可安装在患者身上并放入磁共振线圈内，且其部件具有磁共振中性。该实施例可协助外科医生进行术中磁共振引导的立体定向神经外科手术，如涉及针头/探针靶向的干预手术，用于活检、注射、消融、导管放置、立体脑电图(sEEG)和脑深部刺激(DBS)等。术中磁共振引导的脑深部刺激手术，其解剖学目标位于大脑深部(平均在颅骨300下方90.4毫米处)，目标误差容限小于3毫米。

对于需要在核磁共振机器中进行实时成像的脑部手术，定位装置200在安装到患者颅骨300上时，能够适配成像头部线圈的狭小空间并在其中运行，例如直径81毫米×高度97毫米的尺寸，采用合适的刚性聚合物材料时重量仅为203克，这使得在双侧手术中可以在旁边放置一个双定位装置200，同时仍能提供足够的工作空间(±35度)。

图16展示了两个相互独立、功能上可独立控制的定位装置200如何安装在患者的颅骨300上，并处于核磁共振头部线圈1603内。图中还显示了用于启动鲍登线605以施加制动器213的踏板1601。

如前所述，基节205与肘节203之间的杆的弧角建议为70度，肘节203与主关节之间的杆的弧角建议为60度。这使得粗调可覆盖±38度的工作空间。为避免在工作空间边界操作，在旋转关节上施加了机械约束，使粗调的实际覆盖工作空间限制在±30度。

为满足核磁共振安全性的严格要求，用于微调的自动化软机器人采用聚合物或弹性体材料制成。例如，在非核磁共振实施例中会使用的金属活塞，在本实施例中替换为流体驱动的软聚合物致动器909。旋转关节两侧由高精度陶瓷轴承支撑，并通过高性能热塑性塑料(即聚醚醚酮)螺钉连接固定。颗粒阻塞包903中的颗粒1401是直径为2毫米的聚氯乙烯球体。

外部机器人尺寸受限的可能性

不深入细节的话，可以概括地说，外部机器人采用球形五杆串联结构有助于将定位装置的尺寸控制在适合人体头部且能放入核磁共振头部线圈的范围内。完美圆环的任何一段都能适配更大的曲面(如颅骨300)的任何部分，这就是为什么有限半径的基杆207能适配颅骨300上耳朵和眉毛上方的任何位置。假设这些杆具有相同的弧角，杆的长度不可能接近相同半径的四分之一圆，否则双杆串联连杆臂会拉伸成半圆，与远程运动中心501处于切线位置。然而，弧角必须大于圆周的1/8，否则臂只能延伸到四分之一圆处，刚好在远程运动中心501上方，无法再进一步延伸。此外，假想球体的半径决定了钻孔301到基杆207的距离以及垂直于钻孔301的最高点的距离。因此，为确保远程运动中心501与钻孔301重合，杆的半径受到颅骨300曲率的限制，这使得外部机器人很可能足够小，能够安装在头部并放入头部线圈内。

五杆结构还形成了一个悬臂，安装在钻孔301的一侧，并在一侧夹持持针器201，钻孔301的另一侧没有任何支撑结构。持针器201被抬起并远离钻孔301，钻孔301或远程运动中心501上没有设置枢轴。颅骨300上与钻孔301相对的部分是开放空间，便于从视觉和物理上接近钻孔301，同时也便于在第一个定位装置附近同时安装第二个定位装置200。由于这两个定位装置不受共享物理基座的限制，因此可以在颅骨300上分别独立放置，以适合各自手术目标303的方向。这种可能性对于实时核磁共振图像辅助的脑深部刺激手术特别有用，这类手术需要在矢状面两侧的颅骨300上钻孔301。结构较少的定位装置200可以做得足够小，能够在患者的颅骨300上安装两个，并且能放入核磁共振机器头部线圈的狭小空间内。

球形五杆串联结构的远端关节的运动限制一目了然，因为几乎没有超出定位装置占地面积的部分。此外，能够分别独立放置双定位装置，并与颅骨300的另一部分对齐，减少了远端关节延伸过远而侵占另一个定位装置空间的可能性。

其他应用

任何需要将手术针插入身体上靠近足够平整骨骼处切口的手术，都适合应用该定位装置200。一个潜在的应用是眼球手术，该手术使用针头修复眼睛，包括取出白内障晶状体和植入人工晶状体。眼睛外部的眼窝或眼睛上方的眉骨可以用形状相似的安装底座固定。特别是，持针器201的运动不需要在眼球上设置任何枢轴。此外，外科医生可以从悬臂的开放侧清晰地看到针头插入眼球的过程，这是一个优势。当患者移动时，已安装的定位装置200能够保持定向不变，这很可能是一个备受青睐的优点。此类手术可能不需要核磁共振成像进行术中成像。因此，可以在持针器201的侧面设置一个或多个摄像头，指向远程运动中心501及更远的地方，以跟踪针头的视野。由于眼球比颅骨300小，用于眼球手术的定位装置200可以做得更小。

除了直接使用实际的针头外，定位装置200还可用于夹持激光设备，在激光手术中引导激光，因为此类手术可以受益于这种安装在身体上、由机器人辅助且可精细调节的定位装置200的精度。

其他实施例

图17所示的实施例中没有嵌套机器人。仅使用球形五杆串联结构或外部机器人来夹持和移动持针器201。持针器201同轴放置在一个可旋转的远端关节中，该远端关节由两个臂的远端之间的枢轴连接形成。远端关节的轴线以及其他四个关节的轴线也都指向远程运动中心。这使得外科医生能够在假想球体所定义的工作空间内移动持针器201。

图18左侧显示了一种简陋的机器人，它通过三脚架立于患者的颅骨上，其中持针器201与颅骨上作为远程运动中心的钻孔保持立体定向对齐。这种机器人可能是现有技术的一部分。在本发明的一个实施例中，所提出的微调机器人202可以作为附加模块单独提供给这种现有的现有技术机器人，以改进该现有设备。所需的只是提供一个能够夹持持针器201(持针器通常是第三方产品)的圆顶和滑块，一旦现有设备将持针器201带到目标位置的误差范围内，就可以进行调整。模块化微调机器人202在图19中单独示出，仅包含外壳以及外壳内的部件，包括用于操作持针器201的滑块、圆顶和致动器。颗粒阻塞包可能需要也可能不需要，这取决于外部机器人是否夹持持针器201。如果持针器201完全由微调机器人202夹持，那么可能不需要颗粒阻塞包。

一般来说，微调机器人202的工作空间取决于远程运动中心(RCM)与微调机器人202之间的距离。微调机器人202放置得离远程运动中心越近，圆顶上开口内所能提供的工作空间就越大。

本领域技术人员应当理解，还可以通过其他方式提供一种容纳在外壳内的运动导向装置，使持针器201能够围绕远程运动中心移动。由于该运动导向装置的运动不会超出外壳的占地面积，因此该外壳可以作为一个机器人，安装在持针器201与现有机器人之间。

因此，这些实施例包括一种可拆卸的、优选为容纳在外壳内的嵌套式运动导向装置，该装置可以嵌套或安装到被嵌套或被安装的运动导向装置(如球形五杆串联连杆)中，作为嵌套在第一机器人内的第二机器人。优选地，该嵌套式运动导向装置可在被嵌套或被安装的运动导向装置中更换或重新安装。嵌套式运动导向装置与被嵌套或被安装的运动导向装置之间的配准或定向属于本领域技术人员的知识范畴，不在本说明书的范围内，因此无需进一步详述。

嵌套式运动导向装置不一定能够对持针器的位置进行微调。例如，嵌套式运动导向装置所能实现的改进可能仅仅是提供软件自动化功能，而粗调的被嵌套运动导向装置不具备该自动化功能。

同样，嵌套式运动导向装置的尺寸不一定必然小于被嵌套运动导向装置；所要求的只是嵌套式运动导向装置的安装能够改进或补充被嵌套运动导向装置的运动，甚至扩大其工作空间(参见图15)。通过这种方式，本实施例提供了一种对现有的粗调机器人或粗调持针器进行改进或升级的可能性，可作为可选的升级模块。图21左侧的图示显示了一种立体定向轨道，类似于Clearpoint^TM机器人所使用的手动调节轨道。图21右侧的图示显示，可以将微调机器人放置到Clearpoint^TM装置的持针器中，以增加其现有功能。图示显示微调机器人放置在现有持针器的下方。一方面，微调持器放置得越近，工作空间就越大。另一方面，微调机器人的位置应取决于微调模块内部圆顶和滑块(或任何等效的工作空间运动导向装置)的曲率。在合适的高度上，立体定向运动导向装置的曲率与现有Clearpoint^TM机器人工作空间的曲率相匹配，共享一个可能的运动中心。所有这些细节都可由本领域技术人员在实际情况中解决，在此无需进一步详述。有关Clearpoint^TM机器人的描述，请参见https:// www.clearpointneuro.com/array，其中对Clearpoint^TM智能框架阵列进行了描述。

图22示出了一名正在非磁共振环境中接受背部手术的患者，术中使用一台手动操作的大型立体定向机器人，通过背部的孔洞或切口对手术目标进行操作。微调机器人用于升级该大型立体定向机器人，安装在大型立体定向机器人与持针器之间。通过这种方式，微调机器人可通过软件驱动的微调功能对现有的大型立体定向机器人进行升级。

微调机器人201还可能用于升级其他非立体定向机器人或运动导向装置的切口工具，如图23中的示意图所示。图23示出了一种用于持针器或激光装置的平面滑动支架，其运动不具有立体定向性，例如https://ieeexplore.ieee.org/document/9197534中所示的装置。微调机器人201可通过软件自动化改进持针器或激光装置的微调功能。

如果微调机器人不是在磁共振环境中使用液压驱动，则在本实施例中可以采用其他方式来实现持针器的微调运动，例如电动、超声波、压电、气动和电磁驱动等方式。

尽管在前面的描述中已经阐述了本发明的优选实施例，但本领域相关技术人员应当理解，在不脱离所要求保护的本发明范围的前提下，可以在设计、构造或操作的细节上进行多种变化或修改。

Claims (16)

1.一种用于手术持针器的定位装置，包括

一个安装在第一机器人内的第二机器人；

所述第二机器人可用于夹持手术持针器，并在工作空间内移动手术持针器，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐；

所述第一机器人可用于夹持并在工作空间内移动第二机器人，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐。

2.根据权利要求1所述的用于手术持针器的定位装置，其中第一机器人具有球形五杆串联结构。

3.根据权利要求1所述的用于手术持针器的定位装置，其中第二机器人是可更换的。

4.根据权利要求1所述的用于手术持针器的定位装置，还包括

一个预定颜色的发光装置，用于指示手术持针器的位置处于相对于目标位置的预定误差范围内；其中

第二机器人能够在由该误差范围定义的空间范围内移动手术持针器。

5.根据权利要求1所述的用于手术持针器的定位装置，还包括：

一个弯曲的基杆；所述基杆弯曲的弧角使得基杆能够以整个弯曲部分接触普通人头部的某个位置。

6.根据权利要求5所述的用于手术持针器的定位装置，其中球形五杆串联结构包括：

所述弯曲的基杆；

所述弯曲的基杆具有两个端部；

所述弯曲基杆的一端可旋转地连接到第一双杆串联连杆臂的近端；且

所述弯曲基杆的另一端可旋转地连接到第二双杆串联连杆臂的近端；

所述第一臂的远端和第二臂的远端通过相互张力配合，起到球形五杆串联结构的远端连杆的作用；其中

所述球形五杆串联结构夹持第二机器人并使其与远端连杆对齐移动。

7.根据权利要求6所述的用于手术持针器的定位装置，其中

所述第一臂的远端夹持手术持针器；

所述第二臂的远端夹持微调机器人；

所述相互张力是一种将手术持针器和第二机器人向相反方向推动的力，其作用对象是防止手术持针器与第二机器人分离的装置。

8.根据权利要求6所述的用于手术持针器的定位装置，其中第二机器人包括

一个运动导向装置，该装置被固定在第二臂的远端；

所述第一臂的远端能够与该运动导向装置配合，使持针器围绕球形五杆串联结构的同一中心在弯曲平面内实现两个自由度的运动，且不受第二臂相应运动的影响。

9.根据权利要求8所述的用于手术持针器的定位装置，其中

持针器这种独立于第二臂相应运动的移动通过自动化方式实现。

10.根据权利要求9所述的用于手术持针器的定位装置，其中

所述自动化通过聚合物波纹管的液压驱动实现；

基座关节和肘部关节为基于陶瓷和聚合物的旋转关节；且包括

一个颗粒阻塞包，用于将持针器相对于第二臂的位置固定。

11.一种用于安装到被嵌套运动导向装置中的嵌套式运动导向装置，所述嵌套式运动导向装置被配置为夹持手术持针器并使其与运动中心保持立体定向对齐；且

所述被嵌套运动导向装置被配置为夹持并移动嵌套式运动导向装置和手术持针器，使手术持针器始终与运动中心保持立体定向对齐。

12.根据权利要求11所述的嵌套式运动导向装置，其中嵌套式运动导向装置的运动可响应于软件自动化。

13.一种将手术持针器定位到与患者体内手术目标对齐的方法，包括以下步骤：

移动被嵌套的运动导向装置，该装置夹持着嵌套式运动导向装置，而嵌套式运动导向装置则夹持着手术持针器，使其远离患者身体上的开口并围绕该开口运动，该开口与被嵌套的运动导向装置的运动中心重合；使手术持针器在误差范围内与该开口和手术目标对齐；

围绕该开口作为嵌套式运动导向装置的运动中心，移动嵌套式运动导向装置，且不受被嵌套的运动导向装置相应运动的影响；使

手术持针器以更小的误差范围与该开口和手术目标对齐。

14.根据权利要求13所述的将手术持针器定位到与患者体内手术目标对齐的方法，其中

移动嵌套式运动导向装置包括采用软件控制的自动化方式。

15.根据权利要求13所述的将手术持针器定位到与患者体内手术目标对齐的方法，包括一个前置步骤：

将嵌套式运动导向装置安装到被嵌套的运动导向装置中。

16.根据权利要求13所述的将手术持针器定位到与患者体内手术目标对齐的方法，包括一个步骤：

调整嵌套式运动导向装置与被嵌套的运动导向装置的运动中心之间的距离，使被嵌套的运动导向装置的运动中心与嵌套式运动导向装置的运动中心相同。