CN105813585B - 通过杆操纵实现的针转向 - Google Patents

Abstract

一种用于使组织内的柔性针转向的方法和设备，使用转向机器人平台以便操纵针的杆，且使用半主动臂以实现转向机器人在患者身体上的定位和定向。与其他转向方法相比，所述机器人并不固持位于针的近侧区域的针的基部，而是通过可操纵的针夹持装置在针的远端附近夹持针的杆。附接到机器人平台的针夹持器可装备有牵引组件，以便沿针的纵向方向为其提供运动，使其协调针的进入与预期的进入角度。在针的远端、靠近针的插入点处夹持所述针使针操纵器具有小型尺寸，以及随之而来的优势。

Description

通过杆操纵实现的针转向

发明领域

本发明涉及用于针转向的装置领域及其在图像引导的机器人针转向方面的使用。

背景技术

现代临床实践中采用的诸多常规治疗涉及针和导管经由皮肤的插入，以用于活检和送药以及其他治疗。针插入手术的目的是为了将适当的针的末端安全地且准确地放置到目标区域，所述目标区域可以是病灶、器官或血管。需要针插入的治疗示例包含疫苗、血液/体液取样、局部麻醉、组织活检、导管插入、低温消融、电解质消融、近距离放射治疗、神经外科、脑部深层刺激和各种微创手术。

针在软组织中的引导和转向是一项复杂的任务，需要良好的3D配位、了解患者的解剖结构以及较高的经验水平。因此，已提出采用机器人系统来执行这些功能。这些机器人系统当中包括在D.Stoianovici的名称为“在荧光透视下用于机器人靶向的系统和方法”的美国专利No.7,008,373以及Funda等人的名称为“用于相对于患者身体定位手术器械的机器人系统”的美国专利No.5,572,999中，以及在德国Philippsburg-Rheinsheim的Innomedic GmbH公司提供的Innomotion机器人产品数据清单中描述的机器人系统。

所有这些系统都是有助于选择插入点并使针与目标对准的引导系统。随后由外科医生完成插入，外科医生沿着直线推动针。此类系统通常结合在手术之前获取的3D数据(通常通过CT或MRI来获取)来完成。首先完成患者解剖结构的3D重建。然后针对该3D解剖结构来标记针，且机器人可使套管定向，以使其将与目标对准。医生通过所述套管将针插入，假定所述针将不会偏离直线且将直达目标。这种方法的问题在于，针和组织都是柔性的，因此即使在软组织中针并不总是沿直线前进。它可能偏离所计划的直线路径，且需要确保其到达预期目标区域的方法。

R.J.Webster III等人的已公开的美国专利申请US 2007/0016067 A1(名称为“远侧斜切末端的针的控制装置和算法)已经描述了一种针转向的方法，其基于施加在柔性斜切针的末端上的侧向力。这一申请描述了一种针驱动器，所述驱动器抓握斜切针的基部，且通过推动所述针的杆以纵向进入并旋转所述针的杆以使其转向来驱动所述针的杆。

在D.Glozman等人的名称为“柔性针的受控转向”的PCT公开文献No.WO 2007/141784中，描述了另一种方法，其中针的基部由机器人固持，且通过机器人操纵所述针的基部来使针转向。

然而，上述的所有这些方法和系统使用以机器人方式或其他方式远离插入患者体内的插入点在针的近端夹持的针。这导致需要较大的工作空间，而在成像系统的区域内这可能很成问题，其中仰卧的患者上方的空间通常是有限的。因此，需要一种在将针插入到受治者体内期间操纵所述针的更紧凑的方法。

本说明书的此节和其他节中提及的每个出版物的公开内容皆以全文引用的方式并入本文中。

发明内容

本发明描述了一种用于使软组织内的柔性针转向的方法和设备，所述方法和设备通过操纵所述针的杆和使用半主动装置以实现转向机器人在患者身体上的定位和定向。与其他转向方法相反，机器人并不固持针的基部或靠近针的基部的近侧点，而是通过可操纵的针夹持器在所述针的更靠近插入到患者体内的插入点的远侧部分夹持所述针的杆。针夹持器与用于操纵针夹持器的机器人平台的组合在本申请中被称为机器人针操纵器。

所述机器人针操纵器应当能够以至少4个自由度移动。所述至少4个自由度能实现机器人针操纵器的定向和定位。需要两个自由度以实现所述针的进入点的定位，且需要两个自由度以实现定向。垂直于平面的运动并非必需的，因为针的插入运动可通过在机器人针操纵器内产生的推动运动来提供，如下文所述。由于机器人针操纵器无需产生插入所述针的全长所需的运动(这曾是相当重要的)，因此该系统所需的工作空间明显地小于现有技术的系统所需的空间，其中现有技术的系统是自己执行机器人插入的。然而，使用具有超过4个自由度的机器人平台也可以是有利的，但使用在平行于针的方向上的自由度将通常不用于插入所述针，因为插入所述针通常所需的大行程可能与维持机器人针操纵器的小型工作空间的需求相冲突。

除了上文所述的机器人致动器所产生的针的定向和定位功能，所述机器人针操纵器还应当能够通过沿其纵向方向移动所述针的机构来插入所述针。这一机构可以是被设计成夹持所述针的杆并使其向内和向外移动的机械系统，或者作为选择，所述“机构”可以仅仅是由医疗人员用手插入所述针的手动操作，同时机器人针操纵器的夹持动作松开，或者作为选择甚至不配合，使所述针自由地保持在套管中。

另外，针的旋转可有益地与斜切针引导系统配合使用，或者仅为了保持所述斜切面与成像平面成90度角，使得在插入期间侧向力变大时，由于斜切针而产生的偏离将在成像平面内，其中成像可最佳地用于检测这一偏离。所提出的系统可结合各种医疗成像模式来工作，诸如CT、MRI、PET或超声波。

针可连续地插入，或每一步都需要操作人员批准逐步插入。这一系统的主要创新方面在于通过针的远侧部分来操纵针。

本申请描述的系统的一个优点是，机器人所需的工作空间明显小于现有技术系统，在现有技术系统中机器人操纵针的基部，对于长的针来说，从针的末端处的进入点到针的基部可能是10cm或甚至更长。与现有技术系统的几厘米相比，所述工作空间可小到约为10毫米。在本申请描述的系统中，针的纵向运动与针的侧向操纵是机械分离的。本发明公开的装置的这些实施方案的特点是，针驱动机构能够驱动各种长度的针，同时驱动机构的尺寸和工作空间并不取决于针的长度。在现有技术系统中，针的纵向插入并非以机器人的方式获得，或者即便以机器人的方式获得，也需要操纵器具有一定的运动范围，至少与针的插入长度一样长。

针的基部驱动和针的杆驱动的示例将在下文通过大量模拟来示出。较小的工作空间允许使用较小的机器人，这在此类医学应用中是有利的。仅10毫米左右的这一工作空间从安全角度来看是有利的。这样，机器人不能意外地明显移动和损伤周边的器官。

由于其小型尺寸，本申请描述的机器人针操纵器可被容易地放置在患者身体上，这也是有利的，因为这补偿了在手术期间的患者运动-机器人随患者移动。机器人可直接放置在患者身上，并通过束带或粘结剂连接，从而将其侧向位置固定在患者皮肤上。

此外，小型尺寸使得机器人针操纵器可易于用在CT或其他三维成像系统的有限空间内。

根据本发明的示例性方面，所述机器人针操纵器由半主动支撑臂支撑，所述支撑臂的目的可以是下述的一个或多个：

(i)通过施加柔和的力将机器人针操纵器附加到患者身体表面，并且

(ii)实时追踪机器人的位置。

半主动臂可具有3个或更多个自由度，且优选地具有6个自由度，以便能够将机器人侧向地定位在所述针进入点上方且使机器人平面相对于患者身体定向。半主动臂可包括通过接头连接的一系列链接，如串接式机器人那样。然而，应当理解，并接式机器人或混合式串-并接机器人也可用于本申请中。对于串接式机器人而言，每个此类半主动接头应具有编码器，其监控接头的旋转，使得末端执行器的位置和取向可通过解决正向运动学问题的解决方案而计算出。另一方面，作为选择，所述半主动臂可以是完全被动的，也就是说在接头中没有任何马达，且接头可不被锁定地自由旋转，或者可在一个或多个接头上有马达或弹簧操作，使得可控制至少一个接头的角度。作为选择，可锁定一个或多个接头且其他接头为被动的。无论所使用的实际配置如何，接头上的编码器(如果装配有)可用作传感器以确定半主动臂相对于患者身体的位置，因此确定机器人的位置和取向，诸如为了下文所述的标记目的。

控制一个或多个接头对于解决呼吸步态问题(呼吸代偿)来说是有利的，其中机器人应与患者身体的移动同步地移动。半主动臂的附加功能可以是监控患者的呼吸。半主动臂减少了如现有技术方法中所使用的将外部传感器放置在患者皮肤上以便监控患者的呼吸周期阶段的需要。由于机器人针操纵器与患者胸部保持接触，因此其传感器能够界定患者的呼吸周期。

支撑臂的尤其有用的配置是为其提供了沿垂直于患者身体表面的方向的正向控制，诸如通过使用弹簧，使其施加足够的压力以便机器人针操纵器与患者皮肤保持接触，但允许机器人针操纵器随着患者呼吸周期而升高和降低。同时，机器人针操纵器控制系统的其他方向的自由度可有利地保持充分刚性地受控，使得机器人针操纵器由支撑臂名义上约束在受治者的身体上的针插入点处的预定位置，但允许在手术期间患者由于咳嗽或不适等而在侧向上发生一定程度的自由移动。

另外，对半主动臂上的传感器的需要可通过保持机器人位置与CT坐标系统的标记需要来指示。用于在机器人与CT系统之间建立正确的坐标变换的初始的机器人标记由于患者的呼吸运动(这也会使机器人移动)而变得无效。半主动臂中的传感器能够追踪机器人位置，以便即使在机器人移动时也维持来自初始标记程序的正确的当前坐标变换。

经由半主动臂连接机器人的附加优点在于，臂与机器人和患者现在一起移动，且在针插入的情况下能执行患者身体扫描。为了执行身体扫描，CT床需要移动。当针位于患者体内且CT床移动时，针和机器人随着床和患者移动，所以在针和患者之间不存在相对移动。

因此，根据本发明描述的装置的示例性实施方案，提供了一种用于针插入到受治者体内的系统，包括：

(i)机器人平台，所述机器人平台具有为所述针提供预期姿势的多个自由度，及

(ii)针夹持器，所述针夹持器附接到所述机器人平台，所述针夹持器被启动以沿所述针的纵向方向为所述针提供运动，

其中，所述针夹持器在所述针的基部的远侧夹持所述针的杆。

这一系统可进一步包括定位系统，所述定位系统用于将所述机器人平台定位成靠近所述针插入到受治者体内的插入点。此外，所述针夹持器可包括在所述针的任一侧上的至少一对辊，使得所述辊的协作旋转导致所述针沿其纵向方向移动。另外，可并入针旋转机构，使得所述针可绕其轴线旋转。在其他实施方案中，所述针夹持器可适于释放其对针的夹持，使得所述针可纵向地自由移动。

在本申请的针插入系统的其他实施方案中，机器人平台可包括底板，使得所述机器人平台可被定位成所述底板与受治者皮肤并置。此外，所述姿势可与所述针夹持器的启动协调地调整，使得针的取向可随着针插入到受治者体内而调整。

此外，在任何上述系统中，在针的基部的远侧夹持针的杆使得所述系统可在其任何部分均不会从受治者延伸超出所述针的基部的情况下操作。在一些示例性实施方案中，所述系统的工作空间从针插入点延伸不超过50mm，且在其他实施方案中，不超过30mm，且在另外的其他实施方案中，不超过20mm。

在任何上述系统中，所述机器人平台可以是并接式、串接式或混合式的机器人平台。

根据本发明描述的装置的另一示例性实施方案，还提供了一种用于针插入到受治者体内的系统，包括：

(i)机器人平台，所述机器人平台用于将所述针对准并插入到受治者体内，

(ii)支撑臂，所述支撑臂用于将所述机器人平台对准成靠近所述针插入到受治者体内的插入点，及

(iii)传感器系统，所述传感器系统用于检测受治者的身体的靠近所述针的插入点的运动，

其中，所述传感器系统为所述机器人平台提供指令，以便使所述针的插入与受治者的身体的所检测到的运动协调。

上文提及的受治者的身体相对于这一系统的运动可以是与呼吸相关的运动。另外，所述支撑臂可被设计成将压力施加到机器人平台上，使得机器人平台与受治者的身体保持接触，且支撑臂可使得其运动在垂直于受治者的身体表面的方向上基本不受约束，使得机器人平台随着受治者的身体的运动而自由移动。此外，支撑臂的运动可在平行于受治者的身体表面的方向上部分受限，使得机器人平台被支撑臂大致约束到受治者的身体上的预定位置。

其他实施方案执行一种用于将针插入到受治者体内的方法，包括：

(i)提供机器人平台，所述机器人平台具有使所述针按预期姿势对准的多个自由度，及

(ii)提供用于附接到所述机器人平台的针夹持器，

(iii)使用所述针夹持器在所述针的基部的远侧夹持所述针的杆，及

(iv)启动所述针夹持器以沿所述针的纵向方向为所述针提供运动。

一种用于将针插入到受治者体内的附加示例性方法，包括：

(i)提供机器人平台，所述机器人平台用于将所述针对准并插入到受治者体内，

(ii)提供支撑臂，所述支撑臂用于将所述机器人平台对准成靠近所述针插入到受治者体内的插入点，

(iii)检测受治者的身体的靠近所述针的插入点的运动，及

(iv)使用所述身体的所检测到的运动向所述机器人平台提供指令，使得所述针能与受治者的身体的所检测到的运动协调地插入。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：

图1示出了本发明的系统的总体视图，所述系统被用于在CT成像系统的引导下操纵针；

图2是附接到患者底板以便插入到成像系统中的机器人针操纵器的示意图；

图3是完整的机器人针操纵器的示意图，示出远离所述针的基部固持所述针；

图4是图3所示的机器人针操纵器的另一示意图；

图5和6示意性地示出了在两个不同插入角度的完整的机器人针操纵器，其中并入了采用两个或更多个辊的旋转的针驱动机构，使得针的插入可在机器人控制下执行；

图7是通过针的基部转向而实现针转向的现有技术示例的图表表示；并且

图8是使用本发明的远侧杆夹持方法实现针转向的示例的图表表示，示出了优于图7所示的现有技术方法的节省空间的优势。

具体实施方式

首先参照图1和2，其中示出了用于在诸如CT或MRI引导等成像系统的引导下操纵针的系统的总体视图。然而，应当理解，针转向操纵技术和针操纵机器人并不限于与CT或MRI成像模式一起使用，而是可与任何现有的成像模式一起使用，诸如超声波、PET或诸如此类。

图1示出了安装在CT系统上的示例性系统。该系统无需直接连接到CT系统。机器人针操纵器11可经由半主动臂13连接到底部元件板12，所述半主动臂可经由弧形支撑臂21连接到底部元件。所述底部元件可放置于成像系统床14上并与成像系统床一起移动。作为选择，支撑拱可直接安装在成像系统床上。

现在参照图2，其中示出了在没有CT的情况下的完整系统。微型机器人11被示为经由半主动臂13连接到底部元件12。所述半主动臂被这么称谓是因为其具有一个或多个致动器，但通常并不需要与其自由度数目同样多的致动器，使得并非所有接头均需被控制。那样将使所述臂因其功能而不必要地复杂和昂贵，其功能仅用于将机器人针操纵器定位在相对于针进入点和患者身体姿势的正确位置。底部元件(优选地具有CT床的形状)应足够刚性，使得患者可躺在上面，且应足够牢固，使得弧形支撑臂21与底部元件的连接将是足够刚性的。

在所示示例中，半主动臂具有5个自由度，3个用于将机器人针操纵器的基部定位在患者身体上的任何位置处，且2个用于将机器人针操纵器定向成大致平行于患者身体，且有利地与受治者皮肤相接触。

现在参照图3，其中示出了完整的机器人针操纵器。机器人11被示为正固持针31。出于图示的目的，该机器人基于已在1965年引入的众所周知的Stewart-Gough平台，但应当理解，这仅仅是示例性实施方案，且可使用任何其他适当类型的机器人。所述机器人具有6个自由度且可通过将机器人的致动平台32相对于其底板41恰当地定位和定向而将针套管在空间中定位和定向。在机器人针操纵器内部，设有将在图5和6中描述的针驱动机构。机器人针操纵器的底板41可通过球形或U形接头连接到半主动臂13，从而实现该装置在患者皮肤上的定向。

现在参照图4，其中示出了改进的Stewart-Gough平台的细节图。底板41被放置于患者皮肤上。所述底板可具有柔软的枕块42以适形于患者的身体。尽管图4和5示出了6自由度的改进的Stewart-Gough机器人，但应当理解，所述机器人针操纵器可利用任何适合类型的机器人平台，无论是并接式(诸如Stewart-Gough)还是串接式或混合式的。

图1至4中所示的机器人针操纵器可用作简单的机器人针定位和定向装置，诸如可由医师用于手动插入针，或者，该装置可并入针驱动机构，使得针的插入也可以在机器人控制下执行。现在参照图5和图6，其中这种针驱动机构的一示例被示为两个不同的插入取向角度，该针驱动机构采用了两个或更多个辊51的旋转。驱动力是由针的杆31与辊51之间的非滑动摩擦产生的。在经过辊之后，针横贯穿过导向插套管53，所述导向套管更精确地控制正在排出的针的方向。图5和6还示意性地示出了针旋转机构54。此机构可基于其轴线在大致平行于所述针的杆的平面内对准的一对摩擦辊，或者基于在所述平面内的单个驱动滑轮，其中所述针的杆经过在其中心处的摩擦式离合器，使得离合器的应用和滑轮的旋转将使所述针旋转，或者通过任何其他已知机构来提供此这种可选的旋转运动。任何此类旋转机构必须在起动插入步骤时允许所述针的自由纵向运动。

现在参照图7，其中示出了通过针的基部的转向而实现针转向的现有技术示例的空间模拟。该模拟基于PCT公开申请WO 2007/141784A2中描述的系统。表示针的环境的纵向和侧向视图的轴是以cm标记的。针固持器71固持针31的基部34，且如图所示操纵针的基部。可看出，机器人操纵器插入针所需的工作空间必须至少为针的高度。例如，为了将6cm的针插入受治者体内，机器人操纵器的工作空间必须为至少6cm长，且对于图7所示模拟中所示的定向操纵而言，约为5-6cm宽，这是针的基部34的侧向行程范围。在医疗应用中，需要大工作空间的机器人由于安全问题而是不利的。大工作空间意味着机器人可能无意地移动到错误的位置。

现在参照图8，其中示出了通过使用本申请的机器人针操纵器来操纵针的杆而实现针转向的示例。所述针需要实现如图7所示的相同轨迹，但可看出，所需的机器人操纵器工作空间小得多，因为操纵器非常靠近皮肤。在所示示例中，可看出工作空间仅为2cm高，且宽度约为3cm。高度取决于所使用的机器人类型，但典型的机器人高度甚至高达5cm，仍显示出优于现有技术的机器人针插入方法的工作空间优势。针对此小型工作空间制造的机器人具有与安全因素相关的显著优势，因为操纵器被物理上限于较小的区域，且无法危害周围区域。此外，定位和定向操纵机构与推动机构的分离也有助于增加安全性。另外，机器人的工作空间是扁平或平坦的，且不取决于针的长度。同一机器人可有效地适应任何实际使用长度的针。此外，该机器人可更容易地容纳于断层扫描成像系统的有限界限内。

本领域的技术人员将认识到，本发明并不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包含上述各种特征的组合与子组合，以及本领域的技术人员在阅读上述说明时将设想到且并不在现有技术中的变化形式和修改。

Claims (14)

1.一种用于将针插入到受治者体内并且使所述针在所述受治者的软组织内转向的系统，包括：

机器人平台，所述机器人平台具有为所述针提供预期姿势的多个自由度；及

针夹持器，所述针夹持器被配置成被附接到所述机器人平台并且在其远侧端部处夹持所述针的杆，所述针夹持器被配置成被致动以沿所述针的纵向方向为所述针提供运动；

其特征在于，所述机器人平台和所述针夹持器被配置成被协调地致动，使得所述机器人平台被配置成在所述针插入到所述受治者体内的运动期间调整所述针在所述受治者的软组织内的取向角度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述针夹持器包括在所述针的任一侧上的至少一对辊，使得所述辊的协调旋转致使所述针沿所述纵向方向移动。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括针旋转机构，所述针旋转机构被配置成使所述针绕其轴线旋转。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述针夹持器适于能够释放其在所述针上的夹持，以允许所述针纵向地自由移动。

5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述机器人平台包括被致动平台和底板，所述底板被配置成用于定位在所述受治者的皮肤上。

6.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述机器人平台的所述多个自由度和在其远侧端部处对所述针的所述杆的所述夹持使得所述系统的工作空间是扁平的或平坦的，且不取决于所述针的长度。

7.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述机器人平台是并接式、串接式和混合式机器人平台中的任一个。

8.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述机器人平台被配置成用于经由半主动支撑臂连接到底部元件。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述半主动支撑臂被配置成将压力施加到所述机器人平台，使得所述机器人平台与所述受治者的身体保持接触。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述半主动支撑臂被配置成使得其运动在垂直于所述受治者的身体表面的方向上基本不受约束，使得所述机器人平台随着所述受治者的身体的运动而自由移动。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述半主动支撑臂被配置成将所述机器人平台约束到所述受治者的身体上的预定位置。

12.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括传感器系统，所述传感器系统被配置成检测所述受治者的身体的运动。

13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述受治者的身体的所述运动是与呼吸相关的运动。

14.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述半主动支撑臂被配置成经由弧形支撑臂连接到所述底部元件。

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