CN109620366A - 一种自动导航穿刺系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动导航穿刺系统及控制方法，涉及手术导航领域，包括工作台、主机以及与由主机控制的控制设备和空间定位装置；控制设备包括底座、设置在底座内的控制模块、固定在所述底座上的机械臂、设置在机械臂上远离所述底座一端的穿刺导向模块、设置在所述穿刺导向模块上远离机械臂一端的穿刺运动模块以及驱动所述穿刺运动模块工作的驱动件；机械臂和所述驱动件均由所述控制模块控制；空间定位装置包括磁场发生器、磁场接收器、定位片和设置在定位片上的定位探头；空间定位装置设置在工作台上远离控制设备一侧；穿刺运动模块上设有传感器，本发明的有益效果是：减少了人工操作，实现了穿刺过程的自动化，提高穿刺过程的精确度和稳定性。

Description

一种自动导航穿刺系统及控制方法

技术领域

本发明涉及手术导航领域，特别涉及一种导航穿刺系统及控制方法。

背景技术

肺癌为最常见的原发性肺部肿瘤，是全球范围内发病率和死亡率增长最快，对人类健康和生命威胁最高的恶性肿瘤。经皮肺穿刺活检可用以诊断肺癌等肺部疾病，传统肺穿刺活检因肺部呼吸所带来的软组织漂移等局限性，需要反复X光照成像才能准确定位病灶进行穿刺，期间病人受辐射剂量过大、手术复杂耗时，且由于定位不够精确，术后并发症比较严重等一系列缺点。

为了解决上述问题，公开了借助磁导航方式对手术器械进行实时定位的技术，在虚拟现实环境下实施介入手术操作，确保手术器械精确到达肺部病变区域，减少对病人的损害。

这种方式能够对手术器械进行实时定位，但是仍然需要人工操作器械进行穿刺，在此过程中由于人工操作，穿刺过程需要依靠人工经验保证精确度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明中披露了一种自动导航穿刺系统及控制方法，本发明的技术方案是这样实施的：

一种自动导航穿刺系统，包括工作台、主机以及与由所述主机控制的控制设备和空间定位装置；所述控制设备包括底座、设置在所述底座内的控制模块、固定在所述底座上的机械臂、设置在机械臂上远离所述底座一端的穿刺导向模块、设置在所述穿刺导向模块上远离所述机械臂一端的穿刺运动模块以及驱动所述穿刺运动模块工作的驱动件；所述机械臂和所述驱动件均由所述控制模块控制；所述空间定位装置包括磁场发生器、磁场接收器、定位片和设置在所述定位片上的定位探头；所述空间定位装置设置在所述工作台上远离所述控制设备一侧，所述穿刺运动模块上设有传感器。

优选地，所述穿刺导向模块包括壳体、燕尾槽、直线轴承以及导向滑轨；所述直线轴承一端与所述机械臂连接，另一端与壳体连接，所述燕尾槽设置在所述壳体上远离机械臂一侧

优选地，所述驱动件包括电机、由所述电机驱动的驱动杆以及导向滑轨；所述驱动杆与所述导向板二背离所述导向板一一侧可拆卸连接；所述电机一端设有与所述燕尾槽配合的燕尾块，所述燕尾槽上设有若干用于固定所述燕尾块的夹紧螺钉一；所述电机远离所述燕尾块一端与导向滑轨固定。

优选地，所述穿刺运动模块包括导向件及导航针；所述导向件包括导向板一和导向板二；所述导向板一固定在所述导向滑轨上远离所述电机一端，所述导向板二滑移连接在所述导向滑轨上且所述导向板二背离所述导向板一一侧与所述驱动杆固定；所述导向板一和所述导向板二均与所述导向滑轨可拆卸连接；所述导航针一端连接在所述导向板二朝向所述导向板一的一侧上，另一端穿出导向板一。

优选地，所述电机为陶瓷电机。

优选地，所述导航针与所述导向板二连接一端设有与所述导向板二紧密贴合的固定板，所述固定板上设有若干夹紧螺钉三，若干所述夹紧螺钉三均穿过所述固定板与所述导向板二固定。

优选地，所述底座上设有支撑型脚轮和拉手。

优选地，所述穿刺导向模块和所述穿刺运动模块均由弱磁性材料制成。

一种自动导航穿刺控制方法，应用于上述任意一项所述的一种导航穿刺系统，包括以下步骤：

S1：在所述主机中载入病人扫描的影像，获得图像空间；

S2：在所述工作台上的对象上贴上所述定位片，通过所述定位探头获取物理空间，并通过算法自动识别实现上述物理空间和图像空间的融合；

S3：所述控制模块将所述机械臂的坐标与所述传感器坐标融合并校准，获得机械臂空间；

S4：通过算法将上述机械臂空间与上述物理空间融合；

S5：在所述主机内预设机械臂的运动轨迹并校准机械臂空间、物理空间以及图像空间；

S6：所述主机在图像空间内规划穿刺过程的入针点和入针方向，并将数据发送至控制模块，通过控制模块控制机械臂运动到指定位置；

S7：所述主机内将穿刺深度数据发送至所述控制模块内，所述控制模块控制所述电机工作，推动所述导航针完成穿刺过程后控制所述电机关闭。

实施本发明的有益效果是：

1、通过主机控制机械臂带动导航针对病患进行穿刺路径定位，再通过电机和驱动杆推动导航针实现穿刺过程即可，减少了人工操作，实现了穿刺过程的自动化，提高穿刺过程的精确度，降低患者在手术过程中的不适感；

2、电机控制导航针的穿刺，降低穿刺过程中的抖动，提高了整个控制系统的稳定性，具有良好的控制性和高精度性；

3、陶瓷电机具有无磁干扰性，自身重量轻，采用陶瓷电机驱动，通过控制频率实现穿刺运动高精度的速度与位置的控制，操作方便；

4、实现物理空间、机械臂空间和图像空间的同步融合，进而定位机械臂的运动轨迹和导航针的穿刺位置及穿刺深度，实现自动穿刺过程，进一步提高操作过程中的准确性和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1中用于体现控制设备的结构示意图；

图3为实施例1中用于体现穿刺导向模块的结构示意图；

图4为实施例1中用于体现穿刺运动模块的结构示意图。

在上述附图中，各图号标记分别表示：

1-工作台；11-主机；121-磁场发生器；122-磁场接收器；2-底座；21-控制模块；22-机械臂；3-穿刺导向模块；31-壳体；32-燕尾槽；33-直线轴承；34-导向滑轨；35-燕尾块；36-夹紧螺钉一；4-穿刺运动模块；41-导向板一；43-夹紧螺钉二；42-导向板二；44-导航针；5-固定板；51-夹紧螺钉三；6-支撑型脚轮；61-拉手；7-电机；8-传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1：一种自动导航穿刺系统，如图1和图2所示，包括工作台1、主机11以及与由主机11控制的控制设备和空间定位装置；控制设备包括底座2、设置在底座2内的控制模块21、固定在底座2上的机械臂22、设置在机械臂22上远离底座2一端的穿刺导向模块3、设置在穿刺导向模块3上远离机械臂22一端的穿刺运动模块4以及驱动穿刺运动模块4工作的驱动件；机械臂22和驱动件均由控制模块21控制；空间定位装置包括磁场发生器121、磁场接收器122定位片和设置在定位片上的定位探头；空间定位装置设置在工作台1上远离控制设备一侧，穿刺运动模块4上设有传感器8。

在上述实施方式中，如图1所示，工作台1用于病患躺平，穿刺运动模块4远离底座2一端朝向患者肺部，空间定位装置通过磁场发生器121和磁场接收器122采集穿刺运动模块4的磁场数据反馈至主机内，并与主机11内的影像比对，然后通过主机11对机械臂22发出指令，控制机械臂22控制控制设备进行穿刺定位，通过主机11内采集图像与对比图像对比，选择合适的穿刺路径，然后进行坐标配准，将路径及目标点位置信息传给机械臂22，由机械臂22完成方位导航及穿刺，再通过控制驱动件驱动穿刺运动模块4进行穿刺过程，实现了穿刺过程的自动操作，通过控制驱动件的频率也易于实现穿刺系统高精度的速度与位置的控制，减少了人工操作进行穿刺过程，同时减少对病患的二次伤害，方便操作者操作，减少对操作者经验的依赖，提高穿刺过程的精确度，进而降低患者在手术过程中的不适感。

在上述的实施方式中，如图1所示，磁场发生器121、磁场接收器122均为现有技术中的或未来将投入使用的装置，具体型号尺寸可以根据实际使用环境选择适用的装置，定位片和定位探头为现有技术中能够实现定位功能的装置均可，图中未体现，传感器8可以设置再穿刺运动模块4上的任意位置，能够实现穿刺运动模块4位置的定位即可，空间定位装置设置在远离控制设备一侧可以减少在工作过程中控制设备和空间定位装置相互影响，提高空间定位装置的准确度，同时保持控制装置的正常工作，方便控制和操作。

在一个优选的实施方式中，如图2所示，底座2上设有支撑型脚轮6和拉手7，控制模块21放置在底座2内部，支撑型脚轮6与拉手7方便控制设备整体的手动搬移与固定，进而方便根据患者的情况移动至合适的位置，方便操作人员的操作。

如图2所示，机械臂22为六自由度UR3机械臂，UR3机械臂是一种小型的协作式机械臂，非常适合轻型装配作业和自动化作业台等应用场合，有效载荷可达6.6磅，约为3千克，所有手腕关节均可实现360度旋转，末端关节可无限旋转，方便实现方位导航及穿刺，机械臂22可以灵活控制穿刺路径，方便操作。

在一个优选的实施方式中，如图3所示，穿刺导向模块3包括壳体31、燕尾槽32以及直线轴承33；直线轴承33一端与机械臂22连接，另一端与壳体31连接，燕尾槽32设置在壳体31上远离机械臂22一侧，穿刺导向模块3由机械臂22带着移动，穿刺导向模块3主要作用在于连接机械臂22和穿刺运动模块4，进而实现穿刺运动模块4位置的固定。

在一个优选地实施方式中，驱动件包括电机7、由电机7驱动的驱动杆71以及导向滑轨34；驱动杆71与穿刺运动模块4一侧可拆卸连接；电机7一端设有与燕尾槽32配合的燕尾块35，燕尾槽25上设有若干用于固定燕尾块35的夹紧螺钉一36；电机7远离燕尾块35一端与导向滑轨34固定。

在上述的实施方式中，如图3和图4所示，燕尾槽32和燕尾块35的固定可以实现电机7和机械臂22之间相对位置的改变，可以相对垂直设置，也可以设置以满足使用需求，夹紧螺钉一36的设置提高了壳体31与导向滑轨34连接的稳定性，提高了使用过程中的安全性，电机7驱动驱动杆71可以使驱动杆71沿着导向滑轨34上方移动，电机7通过燕尾块35与壳体31固定，方便拆卸，可以拆卸更换未连接电机的导向滑轨，手动控制，以满足不同的使用需求。

在一个优选的实施方式中，如图4所示，穿刺运动模块4包括导向件及导航针44；导向件包括导向板一41和导向板二42；导向板一41固定在导向滑轨34上远离电机7一端，导向板二42滑移连接在导向滑轨34上且导向板二42背离导向板一41一侧与驱动杆71固定；导向板一41和导向板二42均与导向滑轨34可拆卸连接；导航针44一端连接在导向板二42朝向导向板一41的一侧上，另一端穿出导向板一41

在上述的实施方式中，如图4所示，导向板二42滑移连接在导向滑轨34上，即可通过驱动与导向板二42固定的驱动杆71驱动导向板二42移动，进而控制导向板二42和导向板一41之间的距离，当穿刺导向模块3带动穿刺运动模块4移动至目标位置时，控制导航针44和目标之间的距离，实现对目标的自动穿刺过程，导向一41和导向板二42限制了导航针44的运动路径，导航针44自身柔性，重量在50-100g，附加上导向板一41和导向板二42的导向，整体上易于实现0.5mm导航穿刺精度，进一步提高了整个系统操作过程中的穿刺精度，减少了人工操作对患者造成的损伤，实现自动穿刺过程，导向板一41和导向板二42均可拆卸，方便根据不同的使用环境选择不同角度、长度或材质的导向板一41和导向板二42，提高整个系统的适用性，现有技术中的可拆卸方式均适用，如卡接等，不影响穿刺运动模块的使用即可，在此不一一列举。

在一个优选的实施方式中，如图4所示，导航针44与导向板二42连接一端设有与导向板二42紧密贴合的固定板5，固定板5上设有若干夹紧螺钉三51，若干夹紧螺钉三51均穿过固定板5与导向板二42固定，通过固定板5和夹紧螺钉三51的设置可以实现导航针44与导向板二42的可拆卸连接。

在上述的实施方式中，导航针44为一次性使用，可以方便更换，当需要更换导航针44时，只需手动松开夹紧螺钉三51再插入新的导航针44并拧紧夹紧螺钉三51即可，同时导向件也可拆卸，也可以将导向件和导航针44同时更换，具备快速更换功能，方便人工快速换针。

如图4所示，固定板5为弹性板，导航针44末端预留走线空间，导航针44也是通过具有弹性的固定板与夹紧螺钉三51的方式固定，一方面可以减少夹紧螺钉三51长时间挤压固定板5使固定板5表面造成的损坏，另一方面，当人工移动导航针44对目标进行穿刺过程时，导航针44针尖与患者接触会受到一定压力，具有弹性的固定板5可以给与导航针44一定的缓冲力，减少导航针44进入患者体内的过程中产生损坏而无法进行穿刺的情况。

在一个优选的实施方式中，如图4所示，电机7为陶瓷电机，采用陶瓷电机驱动，其步距分辨率高达10nm，无需编码器或是光栅尺的反馈，通过控制频率也易于实现系统高精度的速度与位置的控制，根据需求可实现其最低速度到1μm/s，最高速度到250mm/s，陶瓷电机可运用于电磁干扰很强的环境，不仅对磁场发生器不产生任何的磁干扰，而且自身重量轻，总重量约1.4Kg，有助于降低控制机械臂运动时的抖动，有利于整个控制系统的稳定性，具有良好的控制性和高精度性。

在一个优选的实施方式中，如图2所示，穿刺导向模块3和穿刺运动模块4均由弱磁性材料制成，在本具体实施方式中，穿刺导向模块3和穿刺运动模块4内的相关组成零部件均采用碳纤维等塑料件设计，不仅对磁场发生器不产生任何的磁干扰，而且自身重量轻，总重量约1.4kg左右，有助于一定程度上降低控制机械臂22运动时产生的抖动，进一步有利于整个系统在工作状态下的稳定性，同时负载比较低，易于实现穿刺运动模块4约10m/s²的加速度，0.25m/s的速度的工作速度，且在1.5s内就可以完成200mm行程内任意一个工位的工作循环，具有高速响应性与稳定性。

实施例2；本发明还提供了一种导航穿刺控制方法，应用于上述任意一种导航穿刺系统，包括以下步骤：

S1：在所述主机11中载入病人扫描的影像；

S2：在所述工作台1上的对象上贴上所述定位片，获得图像空间，通过所述定位探头获取物理空间，并通过算法自动识别实现上述物理空间和图像空间的融合；

S3：所述控制模块21将所述机械臂22的坐标与所述传感器7坐标融合并校准，获得机械臂空间；

S4：通过算法将上述机械臂空间与上述物理空间融合；

S5：在所述主机内预设机械臂22的运动轨迹并校准机械臂空间、物理空间以及图像空间；

S6：所述主机11在图像空间内规划穿刺过程的入针点和入针方向，并将数据发送至控制模块21，通过控制模块21控制机械臂22运动到指定位置；

S7：所述主机11控制所述电机7工作，推动所述导航针44完成穿刺过程后控制所述电机7关闭。

处理过程：

S1和S2实现物理空间与图像空间坐标融合，在病人身上贴有定位片，定位探头贴扣在定位片上，定位片在图像空间中通过算法自动识别坐标，定位探头能够在物理空间中经过磁场定位得到物理空间坐标，通过配准算法将物理空间和磁场空间进行融合，记物理空间为Pm，记图像空间为Pi，记两者之间的转换关系为Tm,i；此操作完成后，可以将植入磁场定位传感器的手术器械与图像空间融合显示，达到实时影像实时定位的目标；

S3和S4实现机械臂空间和物理空间融合，在穿刺运动模块4上设有传感器7，将物理空间和机械臂空间坐标融合，采集传感器7的坐标Pi，同时机械臂22自身坐标Pr，通过配准算法将物理空间坐标和机械臂空间坐标融合，记机械臂空间Pr到物理空间Pm的转换关系为Tr,m；

在完成上述过程后，可直接使用空间转换计算的过渡得到机械臂空间坐标到图像空间坐标的转换关系，记为Tr,i＝Tr,m*Tm,i；机械臂坐标可通过Tr,i转为图像空间坐标，实现机械臂空间在图像空间中的融合显示，即可在图像中绘制出机械臂的运动形态；

此操作过程在系统初始化阶段通过预设机械臂22运动轨迹方式，即S5，在短时间内不需要人为干预可自动将机械臂22坐标进行校准，快速准确高效。

S6可实现导航系统的手术规划操作，即依据主机中的影像，能够在图像空间中选出穿刺的入针点和入针方向，通过转换关系Tr,i，将Tr,i求逆得到图像空间到机械臂空间的转换关系Ti,r＝Ti,r-1，将图像空间中的坐标位置和方向通过变换计算得到机械臂22的运动目标位置和方向，将数据发动到控制模块21中，控制机械臂22运动到指定的位置。

S7可实现自动穿刺，将主机1中图像空间的入针深度数据发送到控制模块21，进而控制电机7内推动驱动件进而将导航针44刺入人体完成穿刺，推动过程能够有效减轻人工穿刺过程中一边观看导航系统定位影像一边手动穿刺时的眼手协调问题，减少人为操作误差，更加准确。

上述列举的各种实施例，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施，本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释，作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。

需要指出的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

包括工作台、主机以及与由所述主机控制的控制设备和空间定位装置；

所述控制设备包括底座、设置在所述底座内的控制模块、固定在所述底座上的机械臂、设置在机械臂上远离所述底座一端的穿刺导向模块、设置在所述穿刺导向模块上远离所述机械臂一端的穿刺运动模块以及驱动所述穿刺运动模块工作的驱动件；

所述机械臂和所述驱动件均由所述控制模块控制；

所述空间定位装置包括磁场发生器、磁场接收器、定位片和设置在所述定位片上的定位探头；

所述空间定位装置设置在所述工作台上远离所述控制设备一侧；

所述穿刺运动模块上设有传感器。

2.根据权利要求1所述的一种导航穿刺系统，其特征在于：

所述穿刺导向模块包括壳体、燕尾槽以及直线轴承；

所述直线轴承一端与所述机械臂连接，另一端与壳体连接，所述燕尾槽设置在所述壳体上远离机械臂一侧。

3.根据权利要求2所述的一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

所述驱动件包括电机、由所述电机驱动的驱动杆以及导向滑轨；

所述驱动杆与所述导向板二背离所述导向板一一侧可拆卸连接；

所述电机一端设有与所述燕尾槽配合的燕尾块，所述燕尾槽上设有若干用于固定所述燕尾块的夹紧螺钉一；

所述电机远离所述燕尾块一端与导向滑轨固定。

4.根据权利要求3所述的一种导航穿刺系统，其特征在于：

所述穿刺运动模块包括导向件及导航针；

所述导向件包括导向板一和导向板二；

所述导向板一固定在所述导向滑轨上远离所述电机一端，所述导向板二滑移连接在所述导向滑轨上且所述导向板二背离所述导向板一一侧与所述驱动杆固定；

所述导向板一和所述导向板二均与所述导向滑轨可拆卸连接；

所述导航针一端连接在所述导向板二朝向所述导向板一的一侧上，另一端穿出导向板一。

5.根据权利要求3所述的一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

所述电机为陶瓷电机。

6.根据权利要求3所述的一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

所述导航针与所述导向板二连接一端设有与所述导向板二紧密贴合的固定板，所述固定板上设有若干夹紧螺钉三，若干所述夹紧螺钉三均穿过所述固定板与所述导向板二固定。

7.根据权利要求1所述的一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

所述底座上设有支撑型脚轮和拉手。

8.根据权利要求1所述的一种自动导航穿刺系统，其特征在于：

所述穿刺导向模块和所述穿刺运动模块均由弱磁性材料制成。

9.一种自动导航穿刺控制方法，其特征在于：

应用于上述权利要求1～8中的任意一项所述的一种导航穿刺系统，包括以下步骤：

S1：在所述主机中载入病人扫描的影像，获得图像空间；

S2：在所述工作台上的对象上贴上所述定位片，通过所述定位探头获取物理空间，并通过算法自动识别实现上述物理空间和图像空间的融合；

S3：所述控制模块将所述机械臂的坐标与所述传感器坐标融合并校准，获得机械臂空间；

S4：通过算法将上述机械臂空间与上述物理空间融合；

S5：在所述主机内预设机械臂的运动轨迹并校准机械臂空间、物理空间以及图像空间；

S6：所述主机在图像空间内规划穿刺过程的入针点和入针方向，并将数据发送至控制模块，通过控制模块控制机械臂运动到指定位置；

S7：所述主机内将穿刺深度数据发送至所述控制模块内，所述控制模块控制所述电机工作，推动所述导航针完成穿刺过程后控制所述电机关闭。