机器人辅助柔性针穿刺软组织实验中软组织变形量实时测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺 软组织实验，该方法包含一个软组织变形量实时测量装置和一套软组织变形量实时测量算 法，属于微创外科手术医疗器械技术领域。
【背景技术】
[0002] 微创外科（MinimallyInvasionSurgery,MIS)是近年来迅速发展起来的一门薪 新技术，与传统外科手术相比，具有局部创伤小、手术时间短、全身反应轻、脏器功能恢复快 等优。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。
[0003] 在微创外科手术治疗中，穿刺是最古老，最普遍的一项外科技术，被广泛应用于活 体组织病理检查、局部药物投送癌症治疗等手术中。大量的外科诊断、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），而影响针穿刺精度的主要原因就是穿刺过程中针体与非均质软组织之间相互作用而 引起的靶点位置误差。为此，要想减小针穿刺的靶点位置误差就必须弄清楚针穿刺过程中 针体与非均质软组织之间的相互作用力以及组织的变形量。现有的研究表明针穿刺过程中 针体与非均质软组织之间的相互作用力包括针体与软组织之间的摩擦力以及软组织对针 体的挤压力。其中挤压力是引起组织变形的主要原因，但是组织挤压力以及变形量的测量 是一个难题，得到组织挤压力的常见的方法有如下两种而组织变形量的测量目前没有合适 的办法：
[0004] (1)在针座上安装一个六轴力/力矩传感器，组织对针体的挤压力根据杠杆原理 会在针座上产生一个与挤压力方向相反的力，近似的认为这就是组织挤压力，但是没有将 针弯曲的情况考虑到里面。
[0005] (2)在组织容器盒底部安装一个压力传感器，当针穿刺软组织时会产生一个向下 的压力，近似认为此压力就是组织挤压力，误差比较大。
[0006] 鉴于上述两种测量组织挤压力的方法，设计出了一套装置和方法能更准确的测得 组织挤压力和并通过推导出组织挤压力与组织变形量的关系式进而间接得到组织变形量。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于设计一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助 柔性针穿刺软组织实验，使得软组织变形量能够实时地显示到电脑屏幕上。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实 验。其特征在于：该方法包含一个软组织变形量实时测量装置和一个软组织变形量实时测 量算法。该软组织变形量实时测量装置包括：中心开孔的矩形组织支撑板（1)、圆形组织托 盘（2)、矩形底板（3)、六轴力学传感器（4)、组织容器盒（5)、数据采集卡（6)及计算机（7)。 其中六轴力学传感器（4)顶端与圆形组织托盘（2)通过螺钉连接，六轴力学传感器（4)底 面与矩形底板（3)通过螺钉连接；矩形底板（3)通过卡槽方式固定在组织容器盒（5)底部； 中心开孔的矩形组织支撑板（1)与圆形组织托盘（2)处同一圆心并同一平面上，中心开孔 的矩形组织支撑板（1)固定于组织容器盒（5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑板（1)的 中心孔半径大于圆形组织托盘（2)的半径以保证圆形组织托盘（2)在水平面上不受约束； 该装置固定在组织容器盒（5)底部用于实时测量针穿刺软组织过程中软组织的变形量，测 得的数据通过数据采集卡（6)传递到计算机（7)，然后通过计算机（7)内的信号处理软件再 结合软组织形变量实时测量算法，直接读出组织变形量，并让变形量实时显示。
[0010] 本发明的特征还在于软组织变形量实时测量的算法如下：（1)由于软组织是黏弹 性的材料，所以针对组织的挤压力向底部传递的时候会由于组织内部的消耗能而减小，那 么组织实际上受到的挤压力Fn就可以通过底部的传感器间接测得Fn = KFnci(K > 1)。K是 一个大于1的系数，与针的直径以及针刺入的位置等有关。（2)依据开尔文黏弹性模型，推
【主权项】
1. 一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验， 该方法包含一个软组织变形量实时测量装置，其由中心开孔的矩形组织支撑板（1)、圆形组 织托盘（2)、矩形底板（3)、六轴力学传感器（4)、组织容器盒（5)、数据采集卡（6)及计算机 (7)组成。其中六轴力学传感器（4)顶端与圆形组织托盘（2)通过螺钉连接，六轴力学传感 器（4)底面与矩形底板（3)通过螺钉连接；矩形底板（3)通过卡槽方式固定在组织容器盒 (5)底部；中心开孔的矩形组织支撑板（1)与圆形组织托盘（2)处同一圆心并同一平面上， 中心开孔的矩形组织支撑板（1)固定于组织容器盒（5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑 板（1)的中心孔半径大于圆形组织托盘（2)的半径以保证圆形组织托盘（2)在水平面上不 受约束；该装置固定在组织容器盒（5)底部用于实时测量针穿刺软组织过程中软组织的变 形量，测得的数据通过数据采集卡（6)传递到计算机（7)，然后通过计算机（7)内的信号处 理软件再结合软组织形变量实时测量算法，直接读出组织变形量，并让变形量实时显示。
2. 根据权利要求1所述的一种软组织变形量实时测量方法，其特征在于该方法包含一 个软组织变形量实时测量装置和一个软组织变形量实时测量算法。
3. 根据软组织的黏弹特性，针对组织的挤压力向底部传递的时候会由于组织内部的消 耗能而减小，组织实际上受到的挤压力Fn就可以通过底部的传感器间接测得，其实际挤压 力公式为F n = KFnci (K > 1)且K是一个大于1的系数，与针的直径以及针刺入的位置等有 关。
4. 根据软组织的黏弹特性，并结合开尔文黏弹性模型公式，软组织实际上受到的挤压 力Fn = kX(t)+bx(t)且k、b分别是软组织的弹性系数和粘滞系数，X为组织的形变量。通 过拉普拉斯变换以及反拉普拉斯变换得到组织变形量实时测量算法Λ = 且 k K是一个大于1的系数，与针的直径以及针刺入的位置等有关，k、b分别是软组织的弹性系 数和粘滞系数。
5. 根据权利要求4中的软组织变形量实时测量算法，结合软组织变形量实时测量装置 即可在针穿刺实验中实时得到组织的变形量。
【专利摘要】一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量实时测量装置和一个软组织变形量实时测量算法，属于微创外科手术医疗器械技术领域。所述装置的核心部件是一个六轴力/力矩传感器，其余附件包括一个矩形组织支撑板、一个与传感器顶端相联的圆形组织托盘、一个与传感器底面连接的用于固定传感器的矩形底板以及数据采集卡和计算机，该计算机含有信号处理软件。该测量装置固定于组织容器底部。信号处理软件包含一个组织挤压力计算算法和一个组织形变量计算算法。这两个算法共同实现了组织挤压力的实时读取与调用以及组织形变量的实时记录与显示，从而实现了在针穿刺软组织实验中组织变形量的实时显示。
【IPC分类】A61B5-103
【公开号】CN104720812
【申请号】CN201310726491
【发明人】高德东, 郭菁莘, 王珊, 郑浩峻
【申请人】青海大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2013年12月21日