一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法，通过术前规划获得穿刺平台的位置和穿刺路径；移动定位机构到指定位置，并定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点；根据规划的穿刺路径进行穿刺；路径规划模块根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息、姿态信息和穿刺区域组织图像对柔性针穿刺路径进行实时在线优化；控制器按照路径规划模块的实时在线优化策略对柔性针进行矫正；达到目标位置后，结束穿刺过程。本发明能够实时获得针尖位置，实时获得针尖受力，根据组织变形对穿刺策略进行在线修正，保证斜尖柔性针能够绕过不可穿刺区域，准确到达病灶，将穿刺过程置于医生的监控下，保证穿刺手术的安全。
【专利说明】一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及胸腹腔软组织穿刺手术领域，尤其涉及一种使用机器人辅助医生完成 斜尖柔性针软组织穿刺的系统及方法。
【背景技术】
[0002]芽刺术是微创外科手术(Minimally Invasive Surgery)中较典型的技术,在影像 和其它传感信息引导下，针经皮穿腔进入软组织靶点，完成药物放置、活检、局部麻醉、近距 离放射和消融治疗等操作。传统穿刺治疗中，医生在C形臂、超声等医学图像监控设备监视 下手动完成穿刺过程。尽管有先进的医学图像设备为医生提供穿刺位置的视觉反馈，但是 受技术限制，医学图像设备只能在穿刺后确定穿刺是否正确，无法在穿刺前为操作提供指 导，很大程度上穿刺效果仍然受到医生经验、情绪、体力等主观因素影响。医生手动穿刺具 有精度低，受主观因素影响等缺点。
[0003] 针对手动穿刺的缺点，相关研究人员提出了机器人辅助穿刺系统。在中国专利 CN102113904A的"经皮肾手术机械手穿刺系统"中对此做了介绍。与手动穿刺相比，机器人 辅助穿刺具有精度高、可重复性强的优点，并能减轻病人的痛苦和医生的疲劳程度。该专利 面向传统穿刺针，即刚性穿刺针。在穿刺的过程中，刚性穿刺针穿刺轨迹几乎为直线，但是 由于组织形变、组织非均匀分布等特点使得穿刺针针尖受力不均匀，导致穿刺轨迹并非完 全的直线，针尖与目标靶点位置产生偏差，降低手术效果。另外，穿刺轨迹近乎直线，使得有 些由血管、神经等不可穿刺区域遮挡的病灶无法到达，这限制了穿刺术的应用。
[0004] 针对传统刚性针的缺点，一些研究机构提出了斜尖柔性针的概念。柔性针，即针体 由弹性材料较好的镍钛合金制成，针尖为非对称斜面，在穿刺的时候针尖受到组织施加的 非均匀力，针尖会沿着受力方向发生偏转，通过控制针尖斜面朝向控制柔性针偏转方向，从 而控制柔性针穿刺轨迹，进而达到控制针尖精度和绕过不可穿刺区域的目的。
[0005] 软组织里的血管和神经，柔性针的弯曲，使得针尖路径规划面对障碍、运动学、动 力学等各类约束。避障和最小创伤是针尖路径规划考虑的重要因素，同时兼顾针弯曲曲率 约束。现有的穿刺规划算法对空间障碍进行确定性描述，导致简单物体在位形空间上的表 示复杂和非常不规则，计算复杂度也呈指数增长，不能很好地解决非完整性约束条件下的 实时规划问题。
[0006] 目前的微创外科非常缺少力传感器，无法感知操作器械在组织上的力信息，临床 应用受到局限。
[0007] 中国专利CNl〇2〇18575A的"机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法" 中提出了一种柔性针的控制方法及设备，但是该专利中柔性针模型局限于二维穿刺，针尖 受力及针尖位置使用模型预测获得，无法应用于实时控制，没有监控设备导致该专利只能 应用于离体穿刺实验，而无法应用于临床。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术的不足，本发明提供一种斜尖柔性针高精度实时穿刺系统及方法。 该方法使用三维电磁定位传感器获取针尖位置信息作为控制系统的反馈；使用C形臂监控 穿刺过程，结合三维电磁定位传感器对机器人控制进行在线规划；使用光纤力传感器获取 针尖与组织的接触力。最终实现针尖的高精度定位及组织生理特性的在线分析，主要应用 于软组织内的药物注射、活体检验、局部麻醉和肿块消融等。
[0009] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系 统，其特征在于，光纤力传感器通过光纤连接数据采集卡，数据采集卡连接计算机的输入接 口；C型臂设置于穿刺现场，与计算机的输入接口连接；三维电磁定位传感器设置于柔性针 针尖的凹槽中，与计算机的输入接口连接，计算机的输出接口通过信号线连接控制器的输 入端，控制器的输出端连接穿刺平台。
[0010] 所述光纤力传感器包括激光器、光频隔离器、分光镜、力-光强转换元件和光强测 量模块，激光器通过光纤依次连接光频隔离器和分光镜，分光镜分别连接光强测量模块和 力-光强转换元件；
[0011] 所述光强测量模块由光电二极管、电流电压转换器顺次连接组成；
[0012] 所述力-光强转换元件包括嵌入柔性针针尖外壁凹槽中的光纤上，相隔断面上的 两个反光镜。
[0013] 所述穿刺平台包括定位机构和穿刺机构，其中定位机构为六自由度机械臂，末端 固定连接穿刺机构，穿刺机构包括直线电机、旋转电机和柔性针。
[0014] 所述控制器包括机械臂控制器、直线电机控制器和旋转电机控制器；
[0015] 所述机械臂控制器连接六自由度机械臂，用于控制柔性针针尖的定位，
[0016] 所述直线电机控制器连接直线电机，用于控制柔性针针尖的直线进给；
[0017] 所述旋转电机控制器连接旋转电机，用于控制柔性针针尖的旋转方向。
[0018] 一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，包括如下步骤：
[0019] 获得通过术前规划后穿刺平台的位置和穿刺路径；
[0020] 移动定位机构到指定位置，定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点，并 根据规划的穿刺路径进行穿刺；
[0021] 根据光纤力传感器反馈的柔性针针尖与组织接触力信息对柔性针模型进行参数 修正，并将修正后的柔性针模型进行路径规划；
[0022] 根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息和 姿态信息进行实时路径规划；
[0023] 控制器按照路径规划后的实时在线优化策略对柔性针针尖进行实时矫正，直至达 到目标位置，结束穿刺过程。
[0024] 所述光纤力传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息的步骤为：
[0025] 激光器发射的激光通过光频隔离器后，经分光镜分成两路激光；
[0026] 一路激光依次经光电二极管和电流电压转换器完成从光强到电压的转换，并经数 据采集卡将模拟电压值转化为数字电压值，作为入射光的参考值；
[0027] 另一路激光通过光纤传输到力-光强转换元件，在力-光强转换元件内，激光经过 两个反光镜完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相 干光传至光频隔离器停止，另一路相干光经光电二极管和电流电压转换器完成反射光强测 量；
[0028] 通过反射光强与相干光相位差的关系计算光纤力传感器内部两次反射光的相位 差，进而得到两个反光镜之间的距离，根据反光镜之间距离变化与光纤力传感器顶端受力 关系得出顶端受力大小,完成柔性针针尖与组织的接触力的测量。
[0029] 所述柔性针模型为自适应独轮车模型。
[0030] 所述自适应独轮车模型的建立方法如下：
[0031]穿刺半径与柔性针针尖与组织的接触力的关系为：
[0032] r = K*F
[0033] 其中，r为穿刺半径，K为系数，F为柔性针针尖与组织的接触力；t+1时刻坐标变 换关系为：
[0034]
【权利要求】
1. 一种机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于，光纤力传感器通过光纤连接数 据采集卡，数据采集卡连接计算机的输入接口；C型臂设置于穿刺现场，与计算机的输入接 口连接；三维电磁定位传感器设置于柔性针针尖的凹槽中，与计算机的输入接口连接，计算 机的输出接口通过信号线连接控制器的输入端，控制器的输出端连接穿刺平台。
2. 根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述光纤力 传感器包括激光器、光频隔离器、分光镜、力-光强转换元件和光强测量模块，激光器通过 光纤依次连接光频隔离器和分光镜，分光镜分别连接光强测量模块和力-光强转换元件； 所述光强测量模块由光电二极管、电流电压转换器顺次连接组成； 所述力-光强转换元件包括嵌入柔性针针尖外壁凹槽中的光纤上，相隔断面上的两个 反光镜。
3. 根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述穿刺平 台包括定位机构和穿刺机构，其中定位机构为六自由度机械臂，末端固定连接穿刺机构，穿 刺机构包括直线电机、旋转电机和柔性针。
4. 根据权利要求1所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺系统，其特征在于：所述控制器 包括机械臂控制器、直线电机控制器和旋转电机控制器； 所述机械臂控制器连接六自由度机械臂，用于控制柔性针针尖的定位， 所述直线电机控制器连接直线电机，用于控制柔性针针尖的直线进给； 所述旋转电机控制器连接旋转电机，用于控制柔性针针尖的旋转方向。
5. -种机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于，包括如下步骤： 获得通过术前规划后穿刺平台的位置和穿刺路径； 移动定位机构到指定位置，定位锁死，控制穿刺机构使柔性针到达穿刺刺入点，并根据 规划的穿刺路径进行穿刺； 根据光纤力传感器反馈的柔性针针尖与组织接触力信息对柔性针模型进行参数修正， 并将修正后的柔性针模型进行路径规划； 根据三维电磁定位传感器和C型臂在穿刺过程中反馈的柔性针针尖位置信息和姿态 信息进行实时路径规划； 控制器按照路径规划后的实时在线优化策略对柔性针针尖进行实时矫正，直至达到目 标位置，结束穿刺过程。
6. 根据权利要求5所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：所述光纤力 传感器反馈柔性针针尖与组织接触力信息的步骤为： 激光器发射的激光通过光频隔离器后，经分光镜分成两路激光； 一路激光依次经光电二极管和电流电压转换器完成从光强到电压的转换，并经数据采 集卡将模拟电压值转化为数字电压值，作为入射光的参考值； 另一路激光通过光纤传输到力-光强转换元件，在力-光强转换元件内，激光经过两个 反光镜完成两次反射，反射光在光纤内发生干涉，相干光在分光镜处分为两路，一路相干光 传至光频隔离器停止，另一路相干光经光电二极管和电流电压转换器完成反射光强测量； 通过反射光强与相干光相位差的关系计算光纤力传感器内部两次反射光的相位差，进 而得到两个反光镜之间的距离，根据反光镜之间距离变化与光纤力传感器顶端受力关系得 出顶端受力大小，完成柔性针针尖与组织的接触力的测量。
7. 根据权利要求5所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：所述柔性针 模型为自适应独轮车模型。
8. 根据权利要求7所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：所述自适应 独轮车模型的建立方法如下： 穿刺半径与柔性针针尖与组织的接触力的关系为： r = K^F 其中，r为穿刺半径，K为系数，F为柔性针针尖与组织的接触力； t+Ι时刻坐标变换关系为： gpo(t + 1) = gP〇(t)ev^ = §ρο(?)6νων^ωω^ 其中gp()(t)为t时刻坐标变换关系，V。为针尖速度，V为穿刺速度，ω为旋转速度， V〇 = UJ =呢 + WF2，Fl = ^ == [A I-，2 巧]1'为针尖线 f '11 Γ0' 速度，ω2 ω3]Τ为针尖角速度，r为穿刺半径，h = 0 e3 = 0为单位向量。 .ok it..
9. 根据权利要求5所述的机器人辅助斜尖柔性针穿刺方法，其特征在于：还包括三维 电磁定位传感器在两次C型臂成像的时间间隔中，对柔性针针尖的位置信息和姿态信息进 行反馈。
【文档编号】A61B17/34GK104248471SQ201310272906
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2013年6月27日 优先权日:2013年6月27日
【发明者】韩建达, 赵新刚, 霍本岩 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所