機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法
2023-06-03 15:39:41 4
專利名稱：機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織操控系統及方法，屬於微創外科 手術醫療器械技術領域。
背景技術：
微創外科(Minimally Invasion Surgery，MIS)是外科學發展的重要趨勢。MIS是
以臨床醫學為基礎，融合了信息科學、材料科學和醫學工程學等，使外科手術達到傷口 微創化、器械微型化、設備智能化的程度。以微創外科研究為基礎發展起來的醫療機器 人和計算機輔助醫療外科設備與技術也已成為備受關注的應用前沿研究課題之一。在微創外科領域中，針穿刺是應用在一般活檢、局部麻醉、介入放射和近距治 療等外科診療中最基本的微創手術器械。大量外科診斷、治療和研究都需要針穿刺到特 定靶點，其中大多數穿刺靶點都集中在軟組織器官，如腎、肝臟、前列腺、乳房等；而 影響穿刺精度的最主要原因就是穿刺過程中針體和不均勻性軟組織相互作用而導致的靶 點位置誤差。在大多數微創外科手術中，穿刺允許誤差範圍一般在毫米級，否則將導致 嚴重的併發症。在傳統方法中，醫生主要依靠自身直覺和經驗來判斷穿刺位置。人為操作誤 差，如醫生疲勞，情緒波動，穿刺技術不熟練等，針體與軟組織相互作用的不確定性都 可以造成靶點位置誤差。儘管先進的圖像設備可以為醫生提供可視性引導，然而這種 醫學圖像往往會受到很大限制，如圖像解析度，設備成本，圖像探針有效性，X射線損 傷，圖像設備材料與手術器械間的兼容性，髒體與圖像設備材料間的相容性，實時圖像 技術可靠性，圖像設備功能與手術環境適應性等，而且圖像引導並不能從操作層面上消 除穿刺誤差。另外，術前規劃的不確定性、術中病人無意識運動(如呼吸，心跳，疼痛 時肌肉跳動等)和生理反應的影響(如腺體腫脹)，以及軟組織特性變化(如不同病變階 段的軟組織材料性能變化)等都會對穿刺精度造成很大影響。鑑於上述原因，機器人輔助系統操控針穿刺運動在精度上比傳統的手動方式更 加具有優勢，能夠有效提高手術精度，減輕醫生的疲勞程度和患者的痛苦，降低手術風 險。以往開發的機器人輔助針穿刺系統在實驗和臨床中都有應用，但依然存在以下不 足(1)用於針穿刺軟組織變形機理研究的機器人系統往往只注重針插入前的對準精 度，不能提供針體進入組織之後的實時控制；(2)用於穿刺路徑優化的機器人輔助系統則只完成針在軟組織中的穿刺運動操 控，一般包括2 3個自由度(針進給，針軸向旋轉或法向旋轉)，缺乏針插入前的路徑 規劃。
發明內容
本發明的目的是提供一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法，來實現柔性針精確打擊靶點和避開必要障礙物。本發明的技術方案如下一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統，其特徵在於該系統包括柔 性針穿刺裝置、驅動裝置、力學傳感器、數據採集卡以及計算機，該計算機含有步進電 機運動控制軟體、力信號處理軟體和柔性針操控控制算法；所述的柔性針穿刺裝置包括 頂部帶斜角的柔性針、針夾持工具、針導航塊、軟組織和軟組織器皿；所述的驅動裝置 包括步進電機、步進電機驅動器、X方向電控平移平臺、Y方向電控平移臺和電控旋 轉臺；所述的柔性針安裝在針夾持工具上，針夾持工具通過針導航塊安裝在電控旋轉臺 上；所述的力學傳感器設置在軟組織器皿上，用於採集柔性針與軟組織間的作用力信 號；該作用力信號通過數據採集卡轉換後輸入到計算機中；所述的計算機分別通過控制 線和數據線與步進電機驅動器連接，該計算機利用步進電機運動控制軟體控制驅動裝置 操控柔性針的運動，利用柔性針操控控制算法計算柔性針的針尖和針體的位置。本發明提供的一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控方法，其特徵在於該 方法包括如下步驟1)將柔性針安裝在針夾持工具上；設置靶點位置和障礙物位置，在驅動裝置的 驅動下，利用針導航塊導引柔性針刺入盛放在軟組織器皿內的軟組織；2)整個針穿刺過程被視為準靜態過程，穿刺時間被分成N個時間片，針體被分 為N個針段；在第1個時間片，針段1刺入軟組織，如此依次刺入，針段i在第i個時間 片內刺入軟組織，其中i=l，2，3，......N；3)由力學傳感器測量初始針段與軟組織之間的作用力信號，由數據採集卡將作 用力信號進行D/A轉換並傳遞給計算機；4)計算機利用柔性針操控控制算法計算針尖和針體位置；針體和針尖的計算模 型如下a.)每個針段在二維平面內均視為一個懸臂梁，按照懸臂梁撓曲理論，針段的最 大撓度ωB和針段末端的截面轉角ΘΒ，如下式所示
權利要求
1.一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統，其特徵在於該系統包括柔性 針穿刺裝置、驅動裝置、力學傳感器、數據採集卡以及計算機，該計算機含有步進電機 運動控制軟體、力信號處理軟體和柔性針操控控制算法；所述的柔性針穿刺裝置包括頂 部帶斜角的柔性針、針夾持工具、針導航塊、軟組織和軟組織器皿；所述的驅動裝置包 括步進電機、步進電機驅動器、X方向電控平移平臺、Y方向電控平移臺和電控旋轉臺； 所述的柔性針安裝在針夾持工具上，針夾持工具通過針導航塊安裝在電控旋轉臺上；所 述的力學傳感器設置在軟組織器皿上，用於採集柔性針與軟組織間的作用力信號；該作 用力信號通過數據採集卡轉換後輸入到計算機中；所述的計算機分別通過控制線和數據 線與步進電機驅動器連接，該計算機利用步進電機運動控制軟體控制驅動裝置操控柔性 針的運動，利用柔性針操控控制算法計算柔性針的針尖和針體的位置。
2.採用如權利要求1所述系統的一種機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控方法，其 特徵在於該方法包括如下步驟1)將柔性針安裝在針夾持工具上；設置靶點位置和障礙物位置，在驅動裝置的驅動 下，利用針導航塊導引柔性針刺入盛放在軟組織器皿內的軟組織；2)整個針穿刺過程被視為準靜態過程，穿刺時間被分成N個時間片，針體被分為N 個針段；在第1個時間片，針段1刺入軟組織，如此依次刺入，針段i在第i個時間片內 刺入軟組織，其中i= 1，2，3，......N；3)由力學傳感器測量初始針段與軟組織之間的作用力信號，由數據採集卡將作用力 信號進行D/A轉換並傳遞給計算機；4)計算機利用柔性針操控控制算法計算針尖和針體位置；針體和針尖的計算模型如下a.)每個針段在二維平面內均視為一個懸臂梁，按照懸臂梁撓曲理論，針段的最大撓 度針段末端的截面轉角ΘΒ，如下式所示
全文摘要
機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法，屬於微創外科手術醫療器械技術領域。所述系統包括柔性針穿刺裝置、驅動裝置、力學傳感器、數據採集卡以及計算機，該計算機含有步進電機運動控制軟體、力信號處理軟體和柔性針操控控制算法。該方法按以下步驟實現針穿刺運動視針穿刺過程為準靜態過程，將任意針段視為懸臂梁，每個針段用向量描述並被視為一個懸臂梁；按照懸臂梁理論，計算其撓度和截面轉角；採用迭代方法，實時計算出針體和針尖位置。本發明實現了穿刺過程中針體位置的實時調整，從而有效地避開穿刺過程中的障礙物，準確地擊中靶點；進一步減輕了醫生的疲勞程度和患者的痛苦，降低了手術風險。
文檔編號A61B19/00GK102018575SQ20101057964
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者鄭浩峻, 高德東 申請人:清華大學