CN102018575B - 机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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匀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＝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ω_B和针段末端的截面转角θ_B，如下式所示：

${\mathrm{\ω}}_B=\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{6\mathrm{EI}}(3l-a)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

其中，I为柔性针的惯性矩，I＝d⁴/64，d为柔性针直径，m；

E为柔性针的杨氏模量，MPa；

F为软组织作用于针段沿y方向的合力，N；由力学传感器测量经所述计算机内的力学数据采集软件进行提取和滤波得到；

l为针段长度，m；

ω_B为针段的最大挠度，m；

θ_B为针段末端的截面转角；

a为自针段起始点到支撑点之间的距离，m；

b)为了计算针体上节点坐标，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁，整个针体按照准静态思想可以量化为N个悬臂梁；其中包括绝对三维坐标系统XYZ和相对二维坐标系统xy；二维坐标系统建立在沿柔性针轴向的截面上；当柔性针旋转时，轴向截面随柔性针转动并与XOY平面形成夹角α；此夹角α被称为平面旋转角，取值范围为0°≤α≤360°；

针体的初始向量为

用

表示；A_i为针体上任一节点坐标，A_i＝(x_i，y_i，z_i)；A₀为刺入软组织的起始点，A₀＝(x₀，y₀，z₀)；故，

柔性针被分为N段悬臂梁，第i段悬臂梁以

表示，如下式：

其中，

为第i段悬臂梁，即针段i的向量表示；

A_i为针段上任意节点坐标，其位置坐标为(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，2，...，N；

c)由于每个悬臂梁发生较小变形，穿刺过程中任意针段的向量模为常量，并满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i\sin \mathrm{\α}+z_i\cos \mathrm{\α}=0\\ \sqrt{X_i^2+Y_i^2+Z_i^2}=l\\ |X_i{X}_{i-1}+Y_i{Y}_{i-1}+Z_i{Z}_{i-1}|=l^2\·\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}=-\frac{F_i{a}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{X}_i=x_i-x_{i-1}\\ Y_i=y_i-y_{i-1}\\ Z_i=z_i-z_{i-1}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},...,N;$

θ_Bi为针段i末端的截面转角，即向量

和

之间夹角，由式(5)计算得到；

F_i为第i个时间片内力学传感器测量并由计算机内的力学数据采集软件进行处理所得到的软组织作用于针段i沿y方向的合力，N；

α-平面旋转角，0°≤α≤360°；

l-针段长度，m；

5)利用步骤4)中的所述方程组(4)和公式(5)，采用迭代方法，利用力学传感器测量第i个时间片内软组织作用于针段i沿y方向的合力，对各针段位置和针尖位置进行实时解算；若针尖位置与靶点位置一致，表明针尖有效打击靶点，结束穿刺运动；若针尖位置与靶点位置不一致，判断障碍物位置是否与针段共线；若共线，则调整针尖上斜角方向，即改变平面旋转角α以避开障碍物，继续穿刺运动，并重复上述迭代计算，直到针尖有效打击靶点；若不共线，继续穿刺运动，重复上述迭代算法，直到针尖有效打击靶点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明由于采用了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的计算机进行辅助控制，因此可以实时计算出针体和针尖位置，实现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。

附图说明

图1为机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统框图。

图2为本发明所述的针尖呈20°-40°角度的柔性针示意图。

图3为针穿刺过程准静态思想示意图。

图4为针段挠曲的悬臂梁模型。

图5为悬臂梁向量描述示意图。

图6为柔性针操控控制算法流程图。

图中：1-针；2-套针；3-凹槽；4-针夹持工具；5-柔性针；6-针段；7-软组织。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

参阅图1，本发明提供的机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控系统包括：柔性针穿刺装置、驱动装置、力学传感器、数据采集卡和计算机。柔性针穿刺装置包括柔性针、针导航块、针夹持工具、软组织和软组织器皿；柔性针安装在针夹持工具上，在针导航块导引下刺入盛放在软组织器皿内的软组织，其实验用软组织为猪肝和牛肉等；力学传感器安装在软组织器皿下面，用于实时测量柔性针与软组织间作用力；数据采集卡将力学传感器测量的力信号进行D/A转换并将其传递给计算机；计算机包括力信号处理软件、步进电机运动控制软件和柔性针操控控制算法；力学数据采集软件将数据采集卡所传递的力信号进行提取和滤波，得到软组织作用于针段沿Y方向的合力F，见图4；利用柔性针操控控制算法计算针尖和针体位置，其控制算法具体内容后面介绍；由运动控制软件控制驱动装置操控柔性针的针体和针尖运动；驱动装置包括X方向电控平移台、Y方向电控平移台、电控旋转台、步进电机及步进电机驱动器；步进电机驱动器接收计算机内步进电机运动控制软件发送的信号，控制步进电机为X和Y方向电控平移台及电控旋转台提供驱动力；电控平移台和旋转台可以调整针尖斜角方向以实现针体路径控制。

如图3所示，所述柔性针5安装在针夹持工具4上；针夹持工具4安装在电控旋转台上。在步进电机驱动下，电控平移台和电控旋转台控制柔性针针体和针尖位置；X方和Y方向电控平移台驱动柔性针5在线性滑块导轨上运动，实现X方向和Y方向的直线运动；电控旋转台控制柔性针旋转，从而调整柔性针针尖斜角位置；本发明所述柔性针满足以下特点：1)柔性针刺入软组织时不发生较大角度弯曲，且针体上所有点均保持共面；2)柔性针发生弯曲变形，但不产生扭曲变形；3)柔性针的针尖呈20°～40°斜角，如图2所示。图2(a)为普通穿刺针；图2(b)为活检穿刺针；图2(c)为带凹槽3的活检穿刺针，活检穿刺针由针1和套针2两部分组成。

所述柔性针操控控制算法，是基于准静态思想的，将针穿刺过程和柔性针离散化。该方法的具体步骤描述如下：

1)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，如图3所示；在第1个时间片，针段1刺入软组织，如此依次，针段i在第i个时间片内刺入软组织，其中i＝1，2，3，......N；图3示意在第i个时间片初始时刻，针段i准备刺入软组织7内。

2)所述带斜角柔性针的针尖由于受力不均匀而导致针体向倾斜方向挠曲，针段沿水平X方向保持受力平衡，而竖直Y方向受力不平衡；如上述，柔性针在挠曲过程中针体上所有点保持共面，因此，每个针段在二维平面内均可视为一个悬臂梁，如图4所示；按照悬臂梁挠曲理论，针段的最大挠度ω_B和针段末端的截面转角θ_B，如下式所示：

${\mathrm{\ω}}_B=-\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{6\mathrm{EI}}(3l-a)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

其中，I为柔性针的惯性矩，I＝d⁴/64，d为柔性针直径，m；

E为柔性针的杨氏模量，MPa；

F为软组织作用于针段沿y方向的合力，N；由力学传感器测量经所述计算机内的力学数据采集软件进行提取和滤波得到；

l为针段长度，m；

ω_B为针段的最大挠度，m；

θ_B为针段末端的截面转角；

a为自针段起始点到支撑点之间的距离，m；

3)为计算针体上节点坐标，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁，整个针体按照准静态思想可以量化为N个悬臂梁；其中包括绝对三维坐标系统XYZ和相对二维坐标系统xy，如图5所示；二维坐标系统建立在沿柔性针轴向截面上；每个准静态过程中，柔性针上所有点都保持在二维坐标系统xy内；当柔性针旋转时，轴向截面随柔性针转动与XOY平面形成夹角α；此夹角α被称为平面旋转角，取值范围为0°≤α≤360°；

相对二维坐标系统xy所在的柔性针轴向截面在三维坐标系统XYZ内可以表示为平面方程，如下：

sinα·y+cosα·z＝0                     (3)

其中，y，z-绝对三维坐标系统中Y和Z方向的坐标值；

α-平面旋转角，0°≤α≤360°；

针体的初始向量为

用

表示；A_i为针体上任一节点坐标，A_i＝(x_i，y_i，z_i)；A₀为刺入软组织的起始点，A₀＝(x₀，y₀，z₀)；故，

柔性针可以被分为N段悬臂梁，第i段悬臂梁以

表示，如下式：

其中，

-第i段悬臂梁，即针段i的向量表示；

A_i-柔性针针体上任意节点，其在绝对三维坐标系统中位置坐标为(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，2，...，N；

4)由于每个悬臂梁发生较小变形，穿刺过程中任意针段的向量模为常量；悬臂梁上节点在相对二维坐标系统xy所在的柔性针轴向截面上；其相邻针段i-1和针段i之间夹角为针段i末端的界面转角；因此，满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i\sin \mathrm{\α}+z_i\cos \mathrm{\α}=0\\ \sqrt{X_i^2+Y_i^2+Z_i^2}=l\\ |X_i{X}_{i-1}+Y_i{Y}_{i-1}+Z_i{Z}_{i-1}|=l^2\·\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}=-\frac{F_i{a}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(6\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{X}_i=x_i-x_{i-1}\\ Y_i=y_i-y_{i-1}\\ Z_i=z_i-z_{i-1}\end{array}\right.,i=\mathrm{1,2,3},...,N;$

θ_Bi-针段i末端的截面转角，即向量

和

之间夹角，由式(5)计算得到；

F_i-第i个时间片内力学传感器测量并由计算机内的力学数据采集软件进行处理所得到的软组织作用于针段i沿y方向的合力，N；

l-针段长度，m；

5)参阅图6所示的柔性针操控控制算法流程图；穿刺运动开始之前设置靶点位置和障碍物位置，并初始针段向量n₀；由力学传感器测量，经力信号处理软件得到第1个时间片时的软组织作用于针段i沿y方向的合力F₁；利用步骤(4)中的所述方程组(5)和公式(6)，计算第一针段n₁和针尖的位置；所得到针尖位置与靶点位置比较，若二者一致，则表明针尖有效打击靶点，结束穿刺运动；若针尖位置与靶点位置不一致，判断障碍物位置是否与第一针段n₁共线；若共线，则调整针尖上斜角方向，即改变平面旋转角α以避开障碍物，继续刺入第二针段n₂并测量第2时间片时的软组织作用于针段i沿y方向的合力F₂，并重复上述比较步骤，继续下一针段位置的迭代计算；若不共线，继续刺入第二针段n₂并测量第2时间片时的软组织作用于针段i沿y方向的合力F₂，重复上述比较步骤，继续下一针段位置的迭代计算。

利用步骤4中所述的迭代方程组(5)，反复迭代计算，利用力学传感器实时测量的力信号，实时解算各针段位置和针尖位置，直至针尖位置与靶点位置一致，结束穿刺运动；按照图6所示的柔性针操控控制算法流程，可实现实时操控柔性针，以有效避开设置障碍物，准确打击靶点。

本发明所提供的机器人辅助针穿刺软组织实时操控系统和方法可以实现穿刺过程中针体位置的实时调整，能够有效地避开穿刺过程中的障碍物，准确地击中靶点。

Claims (1)

1.一种机器人辅助柔性针穿刺软组织实时操控方法，该方法采用的实时操控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，其实时操控步骤如下：

1)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ω_B和针段末端的截面转角θ_B，如下式所示：

${\mathrm{\ω}}_B=-\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{6\mathrm{EI}}(3l-a)---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_B=-\frac{{\mathrm{Fa}}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

其中，I为柔性针的惯性矩，I＝d⁴/64，d为柔性针直径，m；

E为柔性针的杨氏模量，MPa；

F为软组织作用于针段沿y方向的合力，N；由力学传感器测量经所述计算机内的力学数据采集软件进行提取和滤波得到；

l为针段长度，m；

ω_B为针段的最大挠度，m；

θ_B为针段末端的截面转角；

a为自针段起始点到支撑点之间的距离，m；

b)为了计算针体上节点坐标，每个针段用向量描述并被视为一个悬臂梁，整个针体按照准静态思想可以量化为N个悬臂梁；其中包括绝对三维坐标系统XYZ和相对二维坐标系统xy；二维坐标系统建立在沿柔性针轴向的截面上；当柔性针旋转时，轴向截面随柔性针转动并与XOY平面形成夹角α；此夹角α被称为平面旋转角，取值范围为0°≤α≤360°；

针体的初始向量为

用

表示；A_i为针体上任一节点坐标，A_i＝(x_i，y_i，z_i)；A₀为刺入软组织的起始点，A₀＝(x₀，y₀，z₀)；故，

柔性针被分为N段悬臂梁，第i段悬臂梁以

表示，如下式：

i＝1，2，3，...，N    (3)

其中，

为第i段悬臂梁，即针段i的向量表示；

A_i为针段上任意节点坐标，其位置坐标为(x_i，y_i，z_i)，i＝0，1，2，...，N；

c)由于每个悬臂梁发生较小变形，穿刺过程中任意针段的向量模为常量，并满足如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_i\sin \mathrm{\α}+z_i\cos \mathrm{\α}=0\\ \sqrt{X_i^2+Y_i^2+Z_i^2}=l\\ |X_i{X}_{i-1}+Y_i{Y}_{i-1}+Z_i{Z}_{i-1}|=l^2\·\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{Bi}}=-\frac{F_i{a}^2}{2\mathrm{EI}}---\left(5\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{X}_i=x_i-x_{i-1}\\ Y_i=y_i-y_{i-1}\\ Z_i=z_i-z_{i-1}\end{array}\right.,$ i＝1，2，3，...，N；

θ_Bi为针段i末端的截面转角，即向量

和

之间夹角，由式(5)计算得到；

F_i为第i个时间片内力学传感器测量并由计算机内的力学数据采集软件进行处理所得到的软组织作用于针段i沿y方向的合力，N；

α-平面旋转角，0°≤α≤360°；

l-针段长度，m；

5)利用步骤4)中的所述方程组(4)和公式(5)，采用迭代方法，利用力学传感器测量第i个时间片内软组织作用于针段i沿y方向的合力，对各针段位置和针尖位置进行实时解算；若针尖位置与靶点位置一致，表明针尖有效打击靶点，结束穿刺运动；若针尖位置与靶点位置不一致，判断障碍物位置是否与针段共线；若共线，则调整针尖上斜角方向，即改变平面旋转角α以避开障碍物，继续穿刺运动，并重复上述迭代计算，直到针尖有效打击靶点；若不共线，继续穿刺运动，重复上述迭代算法，直到针尖有效打击靶点。

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