机器人辅助沿直线路径精准穿刺软组织目标的实施装置

1.一种机器人辅助沿直线路径精准穿刺软组织目标的实施装置，该装置包括位置控制执行装置，该位置控制执行装置使用多个方向的伺服电机作为驱动源驱动各电动执行器，电动执行器包括执行头，将执行头放置于软组织体表周围，以仿真系统确定的方向和力为基准，在针刺过程中，控制位置控制执行装置按照控制器的预设数据动作，通过在软组织表面施加力来控制兴趣点目标位置进行移位操作：首先，为提高肿瘤目标的可访问性，应用该实施装置推动障碍和敏感组织远离针刺路径，其次，纠正剩余针定位误差，控制穿刺肿瘤目标“主动”移向针刺轨迹直线并被放置其上，最后，实现图像引导下的精准穿刺。
2.如权利要求1所述的实施装置，其特征在于：电动执行器包括电动执行器I和电动执行器II，位置控制执行装置包括底座，其上分布有多个支架，各个支架通过各个定位螺钉分别与焊接在两个固定卡槽的套筒连接，套筒与支架的相对位置可改变，以调节固定卡槽I和固定卡槽II的相对高低，电动执行器I通过两个连接螺钉固定在固定卡槽I上，电动执行器II通过两个连接螺钉固定在固定卡槽II上，电动执行器I上连接有穿刺针，电动执行器II上连接有支撑板，支撑板与执行头连接，根据力的预加载的设置，布置电动执行器及选择其所连接的执行头或穿刺针。
3.如权利要求1所述的实施装置，其特征在于：执行头为导管。

机器人辅助沿直线路径精准穿刺软组织目标的实施装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种机器人辅助沿直线路径精准穿刺软组织目标的实施装置。\n背景技术\n[0002] 由于经皮靶向穿刺手术在组织活检、靶向注射、近距离放射性治疗以及神经外科手术等方面有着极为重要的应用，特别是在癌症早期诊断和治疗领域的优异表现，使之成为微创手术系统研究的焦点与前沿。对于穿刺手术，穿刺精度是手术成败的关键。穿刺时，较差靶向精度会导致组织损伤、错误诊断或不当放射量，例如，切片活检时的较差定位，将导致可能相反的检查结果；热消融时的较差定位，会杀死正常组织而不是癌变组织，这在某些时候将产生灾难性的后果。因此，如何在穿刺手术中减小靶向误差以达到理想的穿刺精度，对降低组织伤害和患者的痛苦具有极为重要的现实意义。\n[0003] 现有技术中主要存在两个问题：存在两个主要问题：一是由于组织各向异性和个体差异性、软组织变形和运动、软组织的复杂的时变特性，实际中的针操控难以精准；二是穿刺路径上存在障碍物如骨头、敏感组织，则无法进行穿刺手术，给系统动力学建模和稳定操作带来极大困难，实际手术中往往存在靶向误差（图1），需要多次回撤针，然后重新插入以获得适合精度，而这些操作大大增加了组织伤害和患者的痛苦，同时很难达到理想的穿刺精度。\n[0004] 虽然在软组织穿刺领域，柔性针的穿刺机理、路径规划和控制已引起了国内外学者的广泛关注和研究，然而，面向软组织进行手术操作，涉及到生物力学、断裂力学、摩擦学、影像学、自动控制等多学科基础科学，技术挑战性强，研究难度大，主要体现在：（1）柔性针穿刺软组织技术是通过针根部2 个自由度运动，绕针轴线旋转运动和进给运动，控制针尖实现6 个自由度的空间定位，即包含4 个非同胚自由度，属于非完整系统的范畴。（2）柔性针穿刺涉及到复杂的针-组织相互作用，医师很难手工操作。（3）组织变形、组织各向异性和多层组织边界特性导致插入运动的不确定性以及含有复杂非线性摩擦力的针-组织相互作用，这些都给操控柔性针带来新的技术挑战。因此，基于柔性针的穿刺软组织技术尚处于探索起步阶段，理论研究还不完善，离实验应用以及后续的临床应用都还有一定距离。\n发明内容\n[0005] 一种机器人辅助沿直线路径精准穿刺软组织目标的实施装置，该装置包括位置控制执行装置，该位置控制执行装置使用多个方向的伺服电机作为驱动源驱动电动执行器，电动执行器包括执行头，将执行头放置于软组织体表周围，以仿真系统确定的方向和力为基准，在针刺过程中，控制位置控制执行装置按照控制器的预设数据动作，通过在表面施加力来控制兴趣点目标位置进行移位操作：首先，为提高肿瘤目标的可访问性，应用该实施系统推动障碍和敏感组织远离针刺路径，其次，纠正剩余针定位误差，控制穿刺肿瘤目标“主动”移向针刺轨迹直线并被放置其上，最后，实现图像引导下的精准穿刺。\n[0006] 进一步，位置控制执行装置包括底座，其上分布有多个支架，通过各个定位螺钉与焊接在两个固定卡槽的套筒连接，套筒与支架的相对位置可改变，以调节固定卡槽I和固定卡槽II的相对高低，电动执行器I通过两个连接螺钉固定在固定卡槽I上，电动执行器II与通过两个连接螺钉与固定卡槽II连接。电动执行器I上连接有穿刺针，电动执行器II上连接有支撑板，支撑板与执行头连接，根据力的预加载的设置，布置电动执行器及选择其所连接的执行头或穿刺针。\n附图说明\n[0007] 图1软组织穿刺手术时的针穿刺误差；\n[0008] 图2软组织操作力加载不同方法与力的关系；\n[0009] 图3力预加载穿刺实现方法；\n[0010] 图4a力预加载前；\n[0011] 图4b力预加载后穿刺前；\n[0012] 图4c力预加载后保持及穿刺开始；\n[0013] 图4d穿刺到位；\n[0014] 图5分阶段操作控制方法；\n[0015] 图6a执行器未动作；\n[0016] 图6b执行器动作后；\n[0017] 图6c多个方向放置的电动执行器；\n[0018] 图7控制结构示意图。\n具体实施方式\n[0019] 考虑基于柔性针的穿刺软组织技术尚处于探索起步阶段，理论研究还不完善，离实验应用以及后续的临床应用都还有一定距离。所以本发明利用刚性针进行直线路径穿刺手术，针对目前软组织穿刺手术存在的避障难、操控性差、多次回撤针、靶向精度低的难题，本发明转变传统的惯性思维，取代在针刺过程中操纵针向目标方向移动的传统技术方法，提出一种新的机器人辅助沿直线路径精准靶向穿刺软组织目标的技术手段，以肿瘤目标“主动”精准追踪靶向穿刺路径手段，通过采用最小化穿刺软组织形变的预加力穿刺方法，选择合适的穿刺路径，采用基于兴趣点目标的移位操作控制，解决利用刚性针穿刺的主要难题，减小软组织形变和穿刺靶点的移位误差，达到理想的穿刺精度，降低组织伤害和患者的痛苦。本方法具有结构简单、操作容易、精度高的优点。\n[0020] 整个实现方法分为两个阶段：\n[0021] （1）力预加载阶段\n[0022] 仿真手术与实际手术的软组织形变量决定着穿刺手术的精度，因此穿刺前对软组织施加预加力来最小化软组织形变，基于接触的力加载方式通常三种（图2），为有效减小组织损伤，在此，选择与软组织具有大的、球形接触面的图2c的球形表面方式。\n[0023] 基于成熟的医学影像采集、三维图像重建、穿刺路径规划、虚拟手术培训等技术，实现方法如图3a所示，借助于针-软组织力交互模型，对穿刺力大小进行仿真及仿体实验研究，确定预加力的范围，综合衡量穿刺精度和患者软组织承受力负荷的平衡关系，考虑穿刺针的速度、位置、方向对其优化，以此优化值为基准，利用软组织形变仿真模型，完成对肿瘤目标的预测、定位，力加载装置（中空，中间穿过穿刺针）输出稳定的预加载力，并对软组织在穿刺手术前进行加载，进而插入穿刺针并沿力预加载路径行穿刺手术，此方法可在穿刺时最小化软组织形变，并防止软组织由弹性到刺穿阶段而出现的粘弹性效应，如应力松弛及蠕变现象等，减小肿瘤目标位置的形变和移位，提高穿刺精度和手术质量。\n[0024] 图4a-4b示出了减小穿刺软组织形变的力预加载及穿刺装置，其包括底座12，其上分布有10个支架11，通过各个定位螺钉10与焊接在两个固定卡槽7和14的套筒9连接，可改变套筒9与支架11的位置，以调节固定卡槽I7和固定卡槽II14的高低。电动执行器I6通过两个连接螺钉8固定在固定卡槽I7上，电动执行器II15与通过两个连接螺钉13与固定卡槽II14连接。电动执行器I6上连接有穿刺针5，电动执行器II15上连接有支撑板4，支撑板4与导管2连接，根据力的预加载的设置，布置电动执行器及选择其所连接的导管或穿刺针。\n[0025] 该方法按照如下步骤进行操作：\n[0026] 1）病人术前医学图像采集、二维图像建立；\n[0027] 2）二维医学图像分析、三维图像重建；\n[0028] 3）根据分析结果，确定手术方案；\n[0029] 4）借助于软组织形变力学模型，确定预加力的范围；\n[0030] 5）利用软组织形变仿真模型，优化穿刺针的速度、位置、方向；\n[0031] 6）完成对肿瘤目标的预测、定位，确定穿刺点和穿刺路径；\n[0032] 7）根据优化结果，选定实际穿刺点、穿刺方向，利用力预加载及穿刺装置，该装置使用上下布置且输出同轴的伺服电机电动执行器作为执行装置（图4），其控制器可设置预紧速度、预紧力、穿刺速度及穿刺力的大小，电动执行器1末端安装力预加载工具，动作时实现穿刺前的软组织预压紧功能，电动执行器2夹持穿刺针，动作时实现沿着力预加载方向上的穿刺功能。具体控制和使用方法按照以下步骤实现：a、确定力预加载装置的位置，穿刺点位置及穿刺方向（图4a）；b、控制器预设预紧速度、预紧力、穿刺速度及穿刺力的大小；c、控制末端预紧装置按预设数据压紧被穿刺软组织，并保持（图4b）；d、控制穿刺针电动执行器按照预设数据动作并开始穿刺（图4c）；e、将穿刺针经力预加载装置刺入软组织，按照仿真路径规划进行穿刺到位（图4d）。\n[0033] （2）兴趣点目标的分阶段操控追踪穿刺路径阶段\n[0034] 在路径规划的基础上，机器人操控穿刺针穿刺软组织并按照直线路径前进（图\n5b），利用医学成像装置，实时视觉反馈并监控整个穿刺过程，结合基于软组织兴趣点目标的操作变形移位机理，借助外部实时目标操作装置，在图像引导下分阶段操作。\n[0035] 分阶段操作控制的具体实现：基于软组织兴趣点目标的形变移位控制方法，通过设计一个外部实时目标操作装置，该装置使用多个方向的伺服电机电动执行器作为执行装置，放置于软组织体表周围，以仿真系统确定的方向和力为基准，在针刺过程中，控制电动执行器按照控制器的预设数据动作，通过在表面施加力来控制兴趣点目标位置进行移位操作。首先，为提高肿瘤目标的可访问性，应用该方法推动障碍和敏感组织远离针刺路径（图\n5c），最后，纠正剩余针定位误差，控制穿刺肿瘤目标“主动”移向针刺轨迹直线并被放置其上（图5d），实现图像引导下的精准穿刺。机械装置如图6所示。\n[0036] 目标移位控制操纵系统是一套位置控制执行装置。通过设计一个控制器（图7），实际目标位置数据（P1）由图像反馈获得，所需目标位置数据（P2）由规划者根据目标当前位置以及针刺方向所决定。控制器根据位置误差驱动实时目标操作系统控制目标移位于所需位置。视针刺力为整个系统的干扰，控制器的震动（当组织密度很高时）影响，可以用饱和度反馈补偿予以减轻，能够最大限度的减少目标位置的跟踪误差。