专利名称：机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人辅助柔性针穿刺软组织操控系统及方法，属于微创外科 手术医疗器械技术领域。
背景技术：
微创外科(Minimally Invasion Surgery，MIS)是外科学发展的重要趋势。MIS是
以临床医学为基础，融合了信息科学、材料科学和医学工程学等，使外科手术达到伤口 微创化、器械微型化、设备智能化的程度。以微创外科研究为基础发展起来的医疗机器 人和计算机辅助医疗外科设备与技术也已成为备受关注的应用前沿研究课题之一。在微创外科领域中，针穿刺是应用在一般活检、局部麻醉、介入放射和近距治 疗等外科诊疗中最基本的微创手术器械。大量外科诊断、治疗和研究都需要针穿刺到特 定靶点，其中大多数穿刺靶点都集中在软组织器官，如肾、肝脏、前列腺、乳房等；而 影响穿刺精度的最主要原因就是穿刺过程中针体和不均勻性软组织相互作用而导致的靶 点位置误差。在大多数微创外科手术中，穿刺允许误差范围一般在毫米级，否则将导致 严重的并发症。在传统方法中，医生主要依靠自身直觉和经验来判断穿刺位置。人为操作误 差，如医生疲劳，情绪波动，穿刺技术不熟练等，针体与软组织相互作用的不确定性都 可以造成靶点位置误差。尽管先进的图像设备可以为医生提供可视性引导，然而这种 医学图像往往会受到很大限制，如图像分辨率，设备成本，图像探针有效性，X射线损 伤，图像设备材料与手术器械间的兼容性，脏体与图像设备材料间的相容性，实时图像 技术可靠性，图像设备功能与手术环境适应性等，而且图像引导并不能从操作层面上消 除穿刺误差。另外，术前规划的不确定性、术中病人无意识运动(如呼吸，心跳，疼痛 时肌肉跳动等)和生理反应的影响(如腺体肿胀)，以及软组织特性变化(如不同病变阶 段的软组织材料性能变化)等都会对穿刺精度造成很大影响。鉴于上述原因，机器人辅助系统操控针穿刺运动在精度上比传统的手动方式更 加具有优势，能够有效提高手术精度，减轻医生的疲劳程度和患者的痛苦，降低手术风 险。以往开发的机器人辅助针穿刺系统在实验和临床中都有应用，但依然存在以下不 足(1)用于针穿刺软组织变形机理研究的机器人系统往往只注重针插入前的对准精 度，不能提供针体进入组织之后的实时控制；(2)用于穿刺路径优化的机器人辅助系统则只完成针在软组织中的穿刺运动操 控，一般包括2 3个自由度(针进给，针轴向旋转或法向旋转)，缺乏针插入前的路径 规划。
发明内容
本发明的目的是提供一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法，来实现柔性针精确打击靶点和避开必要障碍物。本发明的技术方案如下一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统，其特征在于该系统包括柔 性针穿刺装置、驱动装置、力学传感器、数据采集卡以及计算机，该计算机含有步进电 机运动控制软件、力信号处理软件和柔性针操控控制算法；所述的柔性针穿刺装置包括 顶部带斜角的柔性针、针夹持工具、针导航块、软组织和软组织器皿；所述的驱动装置 包括步进电机、步进电机驱动器、X方向电控平移平台、Y方向电控平移台和电控旋 转台；所述的柔性针安装在针夹持工具上，针夹持工具通过针导航块安装在电控旋转台 上；所述的力学传感器设置在软组织器皿上，用于采集柔性针与软组织间的作用力信 号；该作用力信号通过数据采集卡转换后输入到计算机中；所述的计算机分别通过控制 线和数据线与步进电机驱动器连接，该计算机利用步进电机运动控制软件控制驱动装置 操控柔性针的运动，利用柔性针操控控制算法计算柔性针的针尖和针体的位置。本发明提供的一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控方法，其特征在于该 方法包括如下步骤1)将柔性针安装在针夹持工具上；设置靶点位置和障碍物位置，在驱动装置的 驱动下，利用针导航块导引柔性针刺入盛放在软组织器皿内的软组织；2)整个针穿刺过程被视为准静态过程，穿刺时间被分成N个时间片，针体被分 为N个针段；在第1个时间片，针段1刺入软组织，如此依次刺入，针段i在第i个时间 片内刺入软组织，其中i=l，2，3，......N；3)由力学传感器测量初始针段与软组织之间的作用力信号，由数据采集卡将作 用力信号进行D/A转换并传递给计算机；4)计算机利用柔性针操控控制算法计算针尖和针体位置；针体和针尖的计算模 型如下a.)每个针段在二维平面内均视为一个悬臂梁，按照悬臂梁挠曲理论，针段的最 大挠度ωB和针段末端的截面转角ΘΒ，如下式所示
权利要求
1.一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统，其特征在于该系统包括柔性 针穿刺装置、驱动装置、力学传感器、数据采集卡以及计算机，该计算机含有步进电机 运动控制软件、力信号处理软件和柔性针操控控制算法；所述的柔性针穿刺装置包括顶 部带斜角的柔性针、针夹持工具、针导航块、软组织和软组织器皿；所述的驱动装置包 括步进电机、步进电机驱动器、X方向电控平移平台、Y方向电控平移台和电控旋转台； 所述的柔性针安装在针夹持工具上，针夹持工具通过针导航块安装在电控旋转台上；所 述的力学传感器设置在软组织器皿上，用于采集柔性针与软组织间的作用力信号；该作 用力信号通过数据采集卡转换后输入到计算机中；所述的计算机分别通过控制线和数据 线与步进电机驱动器连接，该计算机利用步进电机运动控制软件控制驱动装置操控柔性 针的运动，利用柔性针操控控制算法计算柔性针的针尖和针体的位置。
2.采用如权利要求1所述系统的一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控方法，其 特征在于该方法包括如下步骤1)将柔性针安装在针夹持工具上；设置靶点位置和障碍物位置，在驱动装置的驱动 下，利用针导航块导引柔性针刺入盛放在软组织器皿内的软组织；2)整个针穿刺过程被视为准静态过程，穿刺时间被分成N个时间片，针体被分为N 个针段；在第1个时间片，针段1刺入软组织，如此依次刺入，针段i在第i个时间片内 刺入软组织，其中i= 1，2，3，......N；3)由力学传感器测量初始针段与软组织之间的作用力信号，由数据采集卡将作用力 信号进行D/A转换并传递给计算机；4)计算机利用柔性针操控控制算法计算针尖和针体位置；针体和针尖的计算模型如下a.)每个针段在二维平面内均视为一个悬臂梁，按照悬臂梁挠曲理论，针段的最大挠 度针段末端的截面转角ΘΒ，如下式所示
全文摘要
机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法，属于微创外科手术医疗器械技术领域。所述系统包括柔性针穿刺装置、驱动装置、力学传感器、数据采集卡以及计算机，该计算机含有步进电机运动控制软件、力信号处理软件和柔性针操控控制算法。该方法按以下步骤实现针穿刺运动视针穿刺过程为准静态过程，将任意针段视为悬臂梁，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁；按照悬臂梁理论，计算其挠度和截面转角；采用迭代方法，实时计算出针体和针尖位置。本发明实现了穿刺过程中针体位置的实时调整，从而有效地避开穿刺过程中的障碍物，准确地击中靶点；进一步减轻了医生的疲劳程度和患者的痛苦，降低了手术风险。
文档编号A61B19/00GK102018575SQ20101057964
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者郑浩峻, 高德东 申请人:清华大学