一种具有硬度检测功能的柔性机器人及检测方法与流程

本发明涉及柔性机器人及检测方法，特别涉及一种微创手术中基于电流局部最大点变化检测人体组织硬度并进行肿瘤定位的柔性机器人及检测方法。

背景技术：

癌症是威胁人类健康的主要疾病之一，外科手术切除是医治的一种首要办法。传统外科手术切口大，不仅给病人带来痛苦，还可能造成严重的并发症。近年来微创介入手术以其手术创伤小、术后恢复快、手术风险小等优点发展十分迅速。随后又出现了机器人手术系统，使微创手术技术进入了新的时代。

对肿瘤的准确识别和定位是手术能否成功的关键。影像学技术如ct、超声成像等可以识别肿瘤是否存在，但难以准确识别其边缘，帮助医师确定切除范围。术中触诊是传统手术中定位肿瘤的重要方式之一，但在微创手术中，由于医生无法直接接触到病变组织，且现有的微创手术器械缺乏触觉反馈，传统的触诊方式不再适用。通过将微创手术机器人与触觉传感器结合，模拟双手触觉感知功能，可以帮助医师进行触诊，实现术中肿瘤的准确定位。

目前，国内外针对术中肿瘤定位的需求已经研制出多种用于肿瘤定位的微型硬度触觉传感器及相应的定位方法。现有肿瘤快速定位技术大致分为两类，一类利用阵列式触觉传感器对被测目标表面进行全面检测，并生成硬度图像，优点是效率高，检测结果直观，缺陷是检测肿瘤轮廓精度受单个传感器元件大小和阵列密度影响。另一类方法利用触觉传感器对被测目标进行单点测量，根据测量结果对被测目标硬度分布进行预测，确定下一次检测位置，直至最终准确判断出肿瘤边界范围，优点是检测精度高，可以准确判定肿瘤边缘轮廓，缺陷是单点式检测效率低。这两类方法还有一些共同缺陷：采用的都是接触力检测式触觉传感器，检测过程中需要将传感器用力压向被测目标，可能会对被测组织造成伤害；配套使用的手术机器人为刚性结构，检测过程中难以根据被测目标几何形状调整位姿，保证传感器与被测目标的法向接触。针对上述情况，本发明提供一种微创肿瘤检测柔性机器人及检测方法。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于电流局部最大点变化检测人体组织硬度并进行肿瘤定位的柔性机器人及检测方法，该机器人结构紧凑，适用于微创手术中人体组织硬度的测量，帮助手术医师了解病变组织病理特性并实现肿瘤的准确识别和定位，确定手术切除范围，为微创手术的顺利进行提供保障。

本发明的一个目的在于提出一种具有人体软组织硬度检测功能的柔性机器人。

上述具有人体软组织硬度检测功能的柔性机器人包括绳驱动机器人、阵列式触觉传感器。

上述绳驱动机器人可通过拉动绳索使其前端柔性部分弯曲、扭转，以达到调整末端传感器位姿的目的。

上述阵列式触觉传感器包括顶盖、硬度检测部件、底盖。

上述硬度检测部件包括骨架、中心硬度检测单元、四个独立硬度检测单元。其中，中心检测单元包括四个压电双晶片、中心质量块、弹簧和探头圆球，独立硬度检测单元包括压电双晶片、质量块、弹簧和探头圆球。中心硬度检测单元的四个压电双晶片外端固定在骨架上，另一端与中心质量块相连，中心质量块下部中心连接弹簧，其下连接探头圆球；四个独立硬度检测单元中，压电双晶片内端固定在骨架上，外端连接质量块，质量块下部中心连接弹簧，其下连接探头圆球。压电双晶片上下两层为压电陶瓷，中间基板为黄铜片，使用时压电双晶片一端固定，上下两层压电陶瓷外加大小频率相同方向相反的电压，由于逆压电效应，上下两层压电陶瓷交替发生伸长和缩短，而中间基板长度不变，使得压电双晶片发生类似悬臂梁的弯曲振动，且由于正压电效应，压电双晶片发生共振时其中流过的电流幅值会发生突变。硬度检测单元中的压电双晶片产生振动并通过检测其电流得到电流局部最大点，质量块、弹簧和探头圆球用来降低硬度检测单元电流局部最大点，探头圆球与被测样本接触使检测单元与被测样本耦合。探头圆球与被测样本的接触深度由探头圆球伸出底盖的长度决定。

本发明的另一个目的在于提出一种微创手术肿瘤定位系统。

上述微创手术肿瘤定位系统包括硬度检测柔性机器人、机器人控制系统、数据采集卡、电流检测模块和计算机。其中，硬度检测柔性机器人包括绳驱动机器人和阵列式触觉传感器；绳驱动机器人通过四根绳索控制其弯曲和扭转；机器人控制系统控制绳驱动机器人的平移和绳索的拉动即其弯曲和扭转；阵列式触觉传感器中包括五个硬度检测单元，分为一个中心硬度检测单元和四个均布的独立硬度检测单元，每个硬度检测单元包括压电双晶片、质量块、弹簧和探头圆球，各个硬度检测单元的探头圆球与被测样本接触；每个压电双晶片通过控制线串联电流检测模块并连接到数据采集卡。机器人控制系统和数据采集卡连接至计算机。

本发明将阵列式触觉传感器装置在绳驱动机器人末端组成硬度检测柔性机器人，微创手术过程中硬度检测柔性机器人通过病人体表的微创切口进入手术部位并与人体组织接触。机器人控制系统控制硬度检测柔性机器人的平移、弯曲和扭转，保证末端的阵列式触觉传感器与被测组织沿法向接触。阵列式触觉传感器中包含五个硬度检测单元，其中包括中心处的中心硬度检测单元和均布在中心四周的四个独立硬度检测单元，传感器单次检测可以获得被测样本五点处的局部杨氏模量。顶盖用于连接阵列式触觉传感器和绳驱动机器人，骨架用于固定硬度检测单元，底盖上开有五个圆孔，每个硬度检测单元的探头圆球伸出底盖固定距离并与被测组织接触。检测时，传感器与待测样本接触并将探头圆球压入底盖中，硬度检测单元的接触深度由探头圆球伸出底盖的长度决定。数据采集卡和电流检测模块用来测量硬度检测单元中压电双晶片中电流的频率响应数据，数据采集卡发送扫频信号使压电双晶片产生振动，电流检测模块检测压电双晶片的中流过的电流，进而得到硬度检测单元的电流局部最大点，硬度检测单元与不同硬度的样本接触时其电流局部最大点与样本硬度相关，因此可以计算出与硬度检测单元接触的局部样本硬度。计算机综合被测组织已知的硬度信息对整体的硬度分布进行预测，预测结果显示为硬度分布图像，并确定下一次测量点位置，发送控制信号到机器人控制系统和数据采集卡，进行下一次测量，直到预测结果达到一定指标要求。

每个硬度检测单元中的压电双晶片中上下两层压电陶瓷为并联(两压电陶瓷极化方向相同)关系，每个压电双晶片需三根控制线，所有控制线通过顶盖顶端圆孔引出，再经由绳驱动机器人中心的圆孔与数据采集卡和电流检测模块相连。每一个压电双晶片连接至数据采集卡的一个模拟量输出端口，每个电流检测模块连接至数据采集卡的一个模拟量输入端口。

本发明通过控制硬度检测柔性机器人压入被测组织的深度控制接触力，确保不对被测组织造成伤害。阵列式触觉传感器接触到被测组织时其电流局部最大点会发生突变，以此时绳驱动机器人的位置为原点，检测时下压固定深度，具体压入深度根据被测组织硬度性质决定。

本发明的又一个目的在于提出一种基于硬度检测柔性机器人的肿瘤定位成像方法。

本发明的基于硬度检测柔性机器人的肿瘤定位成像方法，包括以下步骤：

(1)将硬度检测柔性机器人通过微创切口伸入病人体内，机器人控制系统通过拉动绳索控制绳驱动机器人的位姿，确保末端的阵列式触觉传感器垂直于被测组织表面，通过检测每个硬度检测单元中流过压电双晶片的电流是否发生突变确保各个硬度检测单元的探头圆球与被测组织接触，确定接触后沿法向继续伸入一段距离，确保阵列式触觉传感器与被测组织稳定接触且接触力不会过大；

(2)数据采集卡发出扫频电压信号，电流检测模块检测每个压电双晶片中流过的电流，得到电流的频率响应曲线，取其电流局部最大点发生突变的频率，单次检测过程中五个硬度检测单元同时作用，根据术前标定的结果计算出五个检测点局部的硬度，将检测点坐标和对应的硬度值导入算法模型中，对整个被测组织表面硬度进行预测，得到肿瘤位置、轮廓的初步预测结果；

(3)根据肿瘤位置、轮廓的初步预测结果确定下一检测点的位置，并进行检测后导入算法模型，数次迭代后得到肿瘤位置、轮廓的精确结果，生成硬度图像，从而判断肿瘤的位置、大小，确定切除范围。

其中，在步骤(2)中，术前标定的结果指手术使用前使用数个硬度已知的样本对每个硬度检测单元进行标定并拟合出电流局部最大点与被测组织硬度的关系曲线，术中使用时将每个硬度检测单元检测到的电流局部最大点处频率值代入各自的拟合曲线中即可获得检测点处的局部硬度。

本发明的优点

与现有的用于肿瘤定位的硬度触觉传感器及相应的定位方法相比，本发明提出的基于电流局部最大点变化检测人体组织硬度以及肿瘤定位的柔性机器人及检测方法具有以下区别和优势：

本发明采用电流局部最大点检测的方法，硬度检测单元采用压电双晶片悬臂梁外接弹簧和质量块的结构，可通过压电片中电流的变化检测与之接触的组织硬度。相比传统的压电悬臂梁结构，既降低了系统电流局部最大点处频率，使其适应于检测人体软组织硬度，又保证了硬度检测单元对被测组织硬度变化的敏感度，使其能够识别被测组织硬度的细微变化。

本发明采用系统集成的方式，将数个硬度检测单元集成到单个传感器中形成阵列式结构，单次检测可以获取被测组织多点处的局部硬度，也可对任意点处的硬度进行检测，检测过程中绳驱动机器人可根据被测组织几何特征调整末端传感器的位姿，保证传感器与被测组织的法向接触。而现有的方法采用的主要是测量传感器与被测组织间接触力的方式，集成的手术器械为刚性结构，难以调节传感器位姿，且现有的阵列式结构传感器测量肿瘤边缘轮廓的精度受其传感器元件的大小和密度影响，难以准确检测到肿瘤边缘轮廓，现有的单点检测方法效率低，需要多次测量才能得到较为准确的结果。

附图说明

图1为本发明的硬度检测柔性机器人结构示意图；

图2为本发明的阵列式触觉传感器结构示意图；

图3为本发明的硬度检测单元原理示意图；

图4为本发明的压电双晶片电流与外加固定幅值扫频电压信号频率关系示意图；

图5为本发明的阵列式触觉传感器检测肿瘤边缘示意图；

图6为本发明的微创手术肿瘤定位系统的示意图；

图7为本发明的微创手术肿瘤定位系统流程图；

图中标号名称：1绳驱动机器人；2阵列式触觉传感器；21顶盖；22硬度检测部件；221骨架；222中心硬度检测单元；223独立硬度检测单元；23底盖；3机器人控制系统；4电流检测模块；5数据采集卡；6计算机。

具体实施方式

现将结合附图对本发明的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本发明的一部分实施案例而已，并非全部。基于本发明中的实施案例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明的权利保护范围之内。

实施例1

参阅图1所示，本发明提出了一种硬度检测柔性机器人，包括绳驱动机器人1、阵列式触觉传感器2即上文所述的人体软组织硬度检测端。其中，绳驱动机器人可通过拉动体内的绳索控制前端柔性结构的弯曲和扭转，调整末端阵列式触觉传感器的位姿，保证传感器与被测组织的法向接触；阵列式触觉传感器可用于人体软组织硬度的测量，硬度检测部件中的探头圆球通过底盖上的圆孔与被测组织接触，接触深度由探头圆球伸出底盖的长度决定。阵列式触觉传感器通过顶盖与绳驱动机器人连接。硬度检测部件引出的控制线通过顶盖和绳驱动机器人中的通孔与外部设备连接。

上述硬度检测部件包括骨架、中心硬度检测单元、四个独立硬度检测单元。其中，中心检测单元包括四个压电双晶片、中心质量块、弹簧和探头圆球，独立硬度检测单元包括压电双晶片、质量块、弹簧和探头圆球。中心硬度检测单元的四个压电双晶片外端固定在骨架上，另一端与中心质量块相连，中心质量块下部中心连接弹簧，其下连接探头圆球；四个独立硬度检测单元中，压电双晶片内端固定在骨架上，外端连接质量块，质量块下部中心连接弹簧，其下连接探头圆球。压电双晶片上下两层为压电陶瓷，中间基板为黄铜片，使用时压电双晶片一端固定，上下两层压电陶瓷外加大小频率相同方向相反的电压，由于逆压电效应，上下两层压电陶瓷交替发生伸长和缩短，而中间基板长度不变，使得压电双晶片发生类似悬臂梁的弯曲振动，且由于正压电效应，压电双晶片发生共振时其中流过的电流幅值会发生突变。硬度检测单元中的压电双晶片产生振动并通过检测其电流得到电流局部最大点，质量块、弹簧和探头圆球用来降低硬度检测单元电流局部最大点，探头圆球与被测样本接触使检测单元与被测样本耦合。探头圆球与被测样本的接触深度由探头圆球伸出底盖的长度决定。

实施例2

参阅图2所示，本发明提出了一种阵列式触觉传感器，即前文所述的人体软组织硬度检测端。其包括顶盖21、硬度检测部件22、底盖23，而硬度检测部件又包括骨架221、中心硬度检测单元222、四个独立硬度检测单元223。骨架用于固定各个硬度检测单元。中心硬度检测单元包括四个长压电双晶片、一个中心质量块、一个弹簧和一个探头圆球，独立硬度检测单元包括一个短压电双晶片、一个中心质量块、一个弹簧和一个探头圆球。其中压电双晶片的作用相同，既作为驱动元件产生振动，又作为敏感元件检测电流局部最大点。

实施例3

如图3所示，本发明阵列式触觉传感器基于以下原理实现硬度检功能，图3为硬度检测单元原理模型示意图，压电双晶片中上下两层压电陶瓷为并联(两压电陶瓷极化方向相同)，上下两电极板接信号源正极，中间黄铜电极接地，这样会给上下两层压电陶瓷外加等值反向电压信号，使压电双晶片产生弯曲振动，此时硬度检测单元与被测组织发生交互，被测组织阻抗为：

zm＝cm+j(ωmm-ω^-1km)

其中cm、mm、km分别为被测组织等效阻尼、等效质量、等效刚度，分别为：

其中ρm为被测组织密度，υm为泊松比，c0为与泊松比相关的常量，em为被测组织杨氏模量，sc为接触面积，且sc＝πr²，r为接触半径，ω为角频率且ω＝2πf，f为外加信号频率。人体组织发生病变时，其杨氏模量em会发生变化，而其密度和泊松比近乎不变。

由于正压电效应，硬度检测单元发生共振时压电双晶片中流过的电流幅值会发生突变，其电流值为：

其中ve为外加电压值，a1、a2、b1、b2与硬度检测单元参数及压电陶瓷参数相关，受压电双晶片长度l、压电陶瓷厚度d1、黄铜基板厚度d2、质量块质量m1、弹簧刚度k1、探头圆球质量m2等影响，使用前可通过标定确定。可以看出，当硬度检测单元尺寸参数及外加电压信号确定时，仅与被测组织杨氏模量em相关。

压电双晶片一端固定后外加一定频率的交变电压时会产生振动，但由于其尺寸很小，导致压电双晶片本身的电流局部最大点处频率很高，可达到数千赫兹，不适合用于生物软组织硬度的测量。本发明通过外加弹簧和质量块的方式，能够有效降低硬度检测单元的电流局部最大点处频率，同时保证传感器对组织硬度细微区别的敏感度。探头圆球与被测组织接触后，硬度检测单元的电流局部最大点会发生变化，变化量与被测组织硬度相关，通过检测压电双晶片的电流来检测电流局部最大点，参阅图4所示。术前利用已知硬度的数个样本对每个硬度检测单元进行标定，得到一条电流局部最大点处对应频率与样本硬度关系曲线，术中检测时将每个硬度检测单元检测到的电流局部最大点处对应频率代入术前标定的曲线，得到检测点处的组织硬度。

硬度检测部件中的中心硬度检测单元包含四个压电双晶片，它们一端固定在骨架上，另一端共同连接到中心质量块，中心质量块连接弹簧和探头圆球，用于检测传感器中心点处对应被测组织的局部硬度。检测中四块压电双晶片共同作用，分别测量其电流幅值，综合四块压电双晶片电流变化，能够有效提高中心点处组织硬度的检测精度。因此，可使用中心硬度检测单元对被测组织进行精确测量。

参阅图5所示，本发明的阵列式触觉传感器可用于肿瘤边缘的快速检测。阵列式触觉传感器接触位置在肿瘤边缘附近时，根据接触情况不同，五个硬度检测单元检测到的硬度数值不同，图中所示为典型的四种情况，其中矩形区域表示待测区域，中间圆形区域表示肿瘤区域。根据五个硬度检测单元检测到的硬度值，单次检测即可得到肿瘤边缘位置和方向的大致结果，沿该方向多次测量后可得到肿瘤的大致大小和形状，大大提高了肿瘤边缘检测的效率。

实施例4

参阅图6所示，本发明提出了一种微创手术肿瘤定位系统，包括绳驱动机器人1、阵列式触觉传感器2、机器人控制系统3、电流检测模块4、数据采集卡5和计算机6。其中，机器人控制系统用于控制绳驱动机器人的运动，数据采集卡给触觉传感器中的压电双晶片发送扫频信号，电流检测模块用于测量传感器中压电双晶片流过的电流并将测量结果发送至数据采集卡，再由数据采集卡发送至计算机，计算机由数据采集卡发送给压电双晶片的扫频电压信号和电流检测模块检测到的电流信号计算压电双晶片的电流频率响应曲线，根据压电双晶片的电流变化判断传感器是否与组织发生接触并检测被测组织的硬度，再将检测到的五点处的局部硬度数据导入高斯过程回归算法，联系之前迭代检测到的硬度数据对被测组织整体硬度进行预测，根据预测结果选定下一个检测点位置，发送控制信号给机器人控制系统和数据采集卡，进行下一次检测，经过数次迭代后得到精确的组织硬度分布并生成组织硬度分布图像。

实施例6

基于图6所示的微创手术肿瘤定位系统，本发明提出的肿瘤定位成像方法流程图如图7所示，包括以下步骤：

(1)将硬度检测柔性机器人通过微创切口伸入病人体内，机器人控制系统通过拉动绳索控制绳驱动机器人的位姿，确保末端的阵列式触觉传感器与被测组织法向接触，通过检测每个硬度检测单元中流过压电双晶片的电流是否发生突变确保各个硬度检测单元的探头圆球与被测组织接触，确定接触后沿法向继续伸入一段距离，确保阵列式触觉传感器与被测组织稳定接触且接触力不会过大；

(2)数据采集卡发出扫频电压信号，电流检测模块检测每个压电双晶片中流过的电流，计算机得到压电双晶片的电流频率响应曲线，寻找电流局部最大点，单次检测过程中五个硬度检测单元同时作用，根据术前标定的结果计算出五个检测点局部的硬度，将检测点坐标和对应的硬度值导入高斯过程回归算法模型中，对整个被测组织表面硬度进行预测，得到肿瘤位置、轮廓的初步预测结果；

(3)根据肿瘤位置、轮廓的初步预测结果确定下一检测点的位置，并进行检测后导入高斯过程回归算法模型，数次迭代后得到肿瘤位置、轮廓的精确结果，生成硬度图像，从而判断肿瘤的位置、大小，确定切除范围。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所作出各种变换或变型，均属于本发明的范畴。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。