一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統及方法
【專利摘要】本發明涉及一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統及方法，通過術前規劃獲得穿刺平臺的位置和穿刺路徑；移動定位機構到指定位置，并定位鎖死，控制穿刺機構使柔性針到達穿刺刺入點；根據規劃的穿刺路徑進行穿刺；路徑規劃模塊根據三維電磁定位傳感器和C型臂在穿刺過程中反饋的柔性針針尖位置信息、姿態信息和穿刺區域組織圖像對柔性針穿刺路徑進行實時在線優化；控制器按照路徑規劃模塊的實時在線優化策略對柔性針進行矯正；達到目標位置后，結束穿刺過程。本發明能夠實時獲得針尖位置，實時獲得針尖受力，根據組織變形對穿刺策略進行在線修正，保證斜尖柔性針能夠繞過不可穿刺區域，準確到達病灶，將穿刺過程置于醫生的監控下，保證穿刺手術的安全。
【專利說明】一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及胸腹腔軟組織穿刺手術領域，尤其涉及一種使用機器人輔助醫生完成 斜尖柔性針軟組織穿刺的系統及方法。

【背景技術】
[0002]芽刺術是微創外科手術(Minimally Invasive Surgery)中較典型的技術,在影像 和其它傳感信息引導下，針經皮穿腔進入軟組織靶點，完成藥物放置、活檢、局部麻醉、近距 離放射和消融治療等操作。傳統穿刺治療中，醫生在C形臂、超聲等醫學圖像監控設備監視 下手動完成穿刺過程。盡管有先進的醫學圖像設備為醫生提供穿刺位置的視覺反饋，但是 受技術限制，醫學圖像設備只能在穿刺后確定穿刺是否正確，無法在穿刺前為操作提供指 導，很大程度上穿刺效果仍然受到醫生經驗、情緒、體力等主觀因素影響。醫生手動穿刺具 有精度低，受主觀因素影響等缺點。
[0003] 針對手動穿刺的缺點，相關研究人員提出了機器人輔助穿刺系統。在中國專利 CN102113904A的"經皮腎手術機械手穿刺系統"中對此做了介紹。與手動穿刺相比，機器人 輔助穿刺具有精度高、可重復性強的優點，并能減輕病人的痛苦和醫生的疲勞程度。該專利 面向傳統穿刺針，即剛性穿刺針。在穿刺的過程中，剛性穿刺針穿刺軌跡幾乎為直線，但是 由于組織形變、組織非均勻分布等特點使得穿刺針針尖受力不均勻，導致穿刺軌跡并非完 全的直線，針尖與目標靶點位置產生偏差，降低手術效果。另外，穿刺軌跡近乎直線，使得有 些由血管、神經等不可穿刺區域遮擋的病灶無法到達，這限制了穿刺術的應用。
[0004] 針對傳統剛性針的缺點，一些研究機構提出了斜尖柔性針的概念。柔性針，即針體 由彈性材料較好的鎳鈦合金制成，針尖為非對稱斜面，在穿刺的時候針尖受到組織施加的 非均勻力，針尖會沿著受力方向發生偏轉，通過控制針尖斜面朝向控制柔性針偏轉方向，從 而控制柔性針穿刺軌跡，進而達到控制針尖精度和繞過不可穿刺區域的目的。
[0005] 軟組織里的血管和神經，柔性針的彎曲，使得針尖路徑規劃面對障礙、運動學、動 力學等各類約束。避障和最小創傷是針尖路徑規劃考慮的重要因素，同時兼顧針彎曲曲率 約束。現有的穿刺規劃算法對空間障礙進行確定性描述，導致簡單物體在位形空間上的表 示復雜和非常不規則，計算復雜度也呈指數增長，不能很好地解決非完整性約束條件下的 實時規劃問題。
[0006] 目前的微創外科非常缺少力傳感器，無法感知操作器械在組織上的力信息，臨床 應用受到局限。
[0007] 中國專利CNl〇2〇18575A的"機器人輔助柔性針穿刺軟組織實時操控系統及方法" 中提出了一種柔性針的控制方法及設備，但是該專利中柔性針模型局限于二維穿刺，針尖 受力及針尖位置使用模型預測獲得，無法應用于實時控制，沒有監控設備導致該專利只能 應用于離體穿刺實驗，而無法應用于臨床。


【發明內容】

[0008] 針對現有技術的不足，本發明提供一種斜尖柔性針高精度實時穿刺系統及方法。 該方法使用三維電磁定位傳感器獲取針尖位置信息作為控制系統的反饋；使用C形臂監控 穿刺過程，結合三維電磁定位傳感器對機器人控制進行在線規劃；使用光纖力傳感器獲取 針尖與組織的接觸力。最終實現針尖的高精度定位及組織生理特性的在線分析，主要應用 于軟組織內的藥物注射、活體檢驗、局部麻醉和腫塊消融等。
[0009] 本發明為實現上述目的所采用的技術方案是：一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺系 統，其特征在于，光纖力傳感器通過光纖連接數據采集卡，數據采集卡連接計算機的輸入接 口；C型臂設置于穿刺現場，與計算機的輸入接口連接；三維電磁定位傳感器設置于柔性針 針尖的凹槽中，與計算機的輸入接口連接，計算機的輸出接口通過信號線連接控制器的輸 入端，控制器的輸出端連接穿刺平臺。
[0010] 所述光纖力傳感器包括激光器、光頻隔離器、分光鏡、力-光強轉換元件和光強測 量模塊，激光器通過光纖依次連接光頻隔離器和分光鏡，分光鏡分別連接光強測量模塊和 力-光強轉換元件；
[0011] 所述光強測量模塊由光電二極管、電流電壓轉換器順次連接組成；
[0012] 所述力-光強轉換元件包括嵌入柔性針針尖外壁凹槽中的光纖上，相隔斷面上的 兩個反光鏡。
[0013] 所述穿刺平臺包括定位機構和穿刺機構，其中定位機構為六自由度機械臂，末端 固定連接穿刺機構，穿刺機構包括直線電機、旋轉電機和柔性針。
[0014] 所述控制器包括機械臂控制器、直線電機控制器和旋轉電機控制器；
[0015] 所述機械臂控制器連接六自由度機械臂，用于控制柔性針針尖的定位，
[0016] 所述直線電機控制器連接直線電機，用于控制柔性針針尖的直線進給；
[0017] 所述旋轉電機控制器連接旋轉電機，用于控制柔性針針尖的旋轉方向。
[0018] 一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，包括如下步驟：
[0019] 獲得通過術前規劃后穿刺平臺的位置和穿刺路徑；
[0020] 移動定位機構到指定位置，定位鎖死，控制穿刺機構使柔性針到達穿刺刺入點，并 根據規劃的穿刺路徑進行穿刺；
[0021] 根據光纖力傳感器反饋的柔性針針尖與組織接觸力信息對柔性針模型進行參數 修正，并將修正后的柔性針模型進行路徑規劃；
[0022] 根據三維電磁定位傳感器和C型臂在穿刺過程中反饋的柔性針針尖位置信息和 姿態信息進行實時路徑規劃；
[0023] 控制器按照路徑規劃后的實時在線優化策略對柔性針針尖進行實時矯正，直至達 到目標位置，結束穿刺過程。
[0024] 所述光纖力傳感器反饋柔性針針尖與組織接觸力信息的步驟為：
[0025] 激光器發射的激光通過光頻隔離器后，經分光鏡分成兩路激光；
[0026] 一路激光依次經光電二極管和電流電壓轉換器完成從光強到電壓的轉換，并經數 據采集卡將模擬電壓值轉化為數字電壓值，作為入射光的參考值；
[0027] 另一路激光通過光纖傳輸到力-光強轉換元件，在力-光強轉換元件內，激光經過 兩個反光鏡完成兩次反射，反射光在光纖內發生干涉，相干光在分光鏡處分為兩路，一路相 干光傳至光頻隔離器停止，另一路相干光經光電二極管和電流電壓轉換器完成反射光強測 量；
[0028] 通過反射光強與相干光相位差的關系計算光纖力傳感器內部兩次反射光的相位 差，進而得到兩個反光鏡之間的距離，根據反光鏡之間距離變化與光纖力傳感器頂端受力 關系得出頂端受力大小,完成柔性針針尖與組織的接觸力的測量。
[0029] 所述柔性針模型為自適應獨輪車模型。
[0030] 所述自適應獨輪車模型的建立方法如下：
[0031]穿刺半徑與柔性針針尖與組織的接觸力的關系為：
[0032] r = K*F
[0033] 其中，r為穿刺半徑，K為系數，F為柔性針針尖與組織的接觸力；t+1時刻坐標變 換關系為：
[0034]

【權利要求】
1. 一種機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統，其特征在于，光纖力傳感器通過光纖連接數 據采集卡，數據采集卡連接計算機的輸入接口；C型臂設置于穿刺現場，與計算機的輸入接 口連接；三維電磁定位傳感器設置于柔性針針尖的凹槽中，與計算機的輸入接口連接，計算 機的輸出接口通過信號線連接控制器的輸入端，控制器的輸出端連接穿刺平臺。
2. 根據權利要求1所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統，其特征在于：所述光纖力 傳感器包括激光器、光頻隔離器、分光鏡、力-光強轉換元件和光強測量模塊，激光器通過 光纖依次連接光頻隔離器和分光鏡，分光鏡分別連接光強測量模塊和力-光強轉換元件； 所述光強測量模塊由光電二極管、電流電壓轉換器順次連接組成； 所述力-光強轉換元件包括嵌入柔性針針尖外壁凹槽中的光纖上，相隔斷面上的兩個 反光鏡。
3. 根據權利要求1所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統，其特征在于：所述穿刺平 臺包括定位機構和穿刺機構，其中定位機構為六自由度機械臂，末端固定連接穿刺機構，穿 刺機構包括直線電機、旋轉電機和柔性針。
4. 根據權利要求1所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺系統，其特征在于：所述控制器 包括機械臂控制器、直線電機控制器和旋轉電機控制器； 所述機械臂控制器連接六自由度機械臂，用于控制柔性針針尖的定位， 所述直線電機控制器連接直線電機，用于控制柔性針針尖的直線進給； 所述旋轉電機控制器連接旋轉電機，用于控制柔性針針尖的旋轉方向。
5. -種機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，其特征在于，包括如下步驟： 獲得通過術前規劃后穿刺平臺的位置和穿刺路徑； 移動定位機構到指定位置，定位鎖死，控制穿刺機構使柔性針到達穿刺刺入點，并根據 規劃的穿刺路徑進行穿刺； 根據光纖力傳感器反饋的柔性針針尖與組織接觸力信息對柔性針模型進行參數修正， 并將修正后的柔性針模型進行路徑規劃； 根據三維電磁定位傳感器和C型臂在穿刺過程中反饋的柔性針針尖位置信息和姿態 信息進行實時路徑規劃； 控制器按照路徑規劃后的實時在線優化策略對柔性針針尖進行實時矯正，直至達到目 標位置，結束穿刺過程。
6. 根據權利要求5所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，其特征在于：所述光纖力 傳感器反饋柔性針針尖與組織接觸力信息的步驟為： 激光器發射的激光通過光頻隔離器后，經分光鏡分成兩路激光； 一路激光依次經光電二極管和電流電壓轉換器完成從光強到電壓的轉換，并經數據采 集卡將模擬電壓值轉化為數字電壓值，作為入射光的參考值； 另一路激光通過光纖傳輸到力-光強轉換元件，在力-光強轉換元件內，激光經過兩個 反光鏡完成兩次反射，反射光在光纖內發生干涉，相干光在分光鏡處分為兩路，一路相干光 傳至光頻隔離器停止，另一路相干光經光電二極管和電流電壓轉換器完成反射光強測量； 通過反射光強與相干光相位差的關系計算光纖力傳感器內部兩次反射光的相位差，進 而得到兩個反光鏡之間的距離，根據反光鏡之間距離變化與光纖力傳感器頂端受力關系得 出頂端受力大小，完成柔性針針尖與組織的接觸力的測量。
7. 根據權利要求5所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，其特征在于：所述柔性針 模型為自適應獨輪車模型。
8. 根據權利要求7所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，其特征在于：所述自適應 獨輪車模型的建立方法如下： 穿刺半徑與柔性針針尖與組織的接觸力的關系為： r = K^F 其中，r為穿刺半徑，K為系數，F為柔性針針尖與組織的接觸力； t+Ι時刻坐標變換關系為： gpo(t + 1) = gP〇(t)ev^ = §ρο(?)6νων^ωω^ 其中gp()(t)為t時刻坐標變換關系，V。為針尖速度，V為穿刺速度，ω為旋轉速度， V〇 = UJ =呢 + WF2，Fl = ^ == [A I-，2 巧]1'為針尖線 f '11 Γ0' 速度，ω2 ω3]Τ為針尖角速度，r為穿刺半徑，h = 0 e3 = 0為單位向量。 .ok it..
9. 根據權利要求5所述的機器人輔助斜尖柔性針穿刺方法，其特征在于：還包括三維 電磁定位傳感器在兩次C型臂成像的時間間隔中，對柔性針針尖的位置信息和姿態信息進 行反饋。
【文檔編號】A61B17/34GK104248471SQ201310272906
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2013年6月27日 優先權日:2013年6月27日
【發明者】韓建達, 趙新剛, 霍本巖 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所