CN110101970B - 一种基于并联机器人的tms自动治疗仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于经颅磁刺激(TMS)治疗领域，公开了一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪。并联机器人由6‑UPS并联机构与两自由度云台构成。6‑UPS并联机构由基座、虎克铰、电动缸、复合铰、动平台四部分组成，两自由度云台由行星减速步进电机、方位台、俯仰台、传动齿轮等部分组成。其中，两自由度云台安装于6‑UPS并联机构动平台。并联机器人固定在桁架结构上。在患者面部预置靶点，通过核磁共振影像设备可获得刺激靶点坐标和预置靶点在核磁共振影像设备坐标系中的坐标，再通过双目视觉测量系统可得到预置靶点在双目相机坐标系中的坐标，进一步控制并联机器人末端刺激线圈定位至刺激靶点进行经颅磁刺激治疗。

Description

一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪

技术领域

本发明属于经颅磁刺激治疗技术领域，尤其涉及一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪。

背景技术

经颅磁刺激治疗是一种无痛、无创的绿色治疗方法，磁信号透过颅骨而刺激大脑神经，实际应用中并不局限于头脑的刺激，外周神经肌肉同样可以刺激，因此称之为“磁刺激”。磁刺激是一种物理刺激形式，它是利用时变电流流入经颅磁刺激线圈，产生高强度时变脉冲磁场，时变脉冲磁场在组织内产生感应电场和感生电流，感应电流使某些可兴奋组织产生兴奋，通过不同的频率来达到治疗目的，高频主要是兴奋作用，低频则是抑制作用。由于其无痛、无损伤、操作简单、安全可靠等优点，在临床医学方面具有广泛的应用。

经颅磁刺激治疗在临床应用的过程中，最大难题是刺激线圈如何实现精准定位。目前，临床上经颅磁刺激治疗主要以操作者根据自身知识、经验以及人脑常规脑功能的分布对刺激靶点进行大致定位，通过手持经颅磁刺激治疗仪进行刺激治疗，但此种操作误差较大，其主要缺点在于实际刺激靶点位置与目标刺激靶点位置不统一，因此影响治疗效果，同时由于是人工手动操作，易产生误操作，使治疗过程存在一定的危险性。市面上有一种配备导航定位系统的经颅磁刺激治疗仪，以深圳瀚翔生物医疗电子股份有限公司为代表研发的TMS导航机器人，由脉冲磁场刺激仪(TMS)、3D红外摄像头(NDI)、3D红外反射球、计算机等组成的一套神经导航系统。精确定位线圈在治疗时对应脑区位置，结合全自动机械臂全程追踪线圈位置，保证线圈不会随着患者的头部移动而偏离线圈刺激靶点，确保治疗有效性。该系统使用串联六自由度机械臂，包含柔韧驱动器，多自由度，可实现整个脑区刺激。但此种导航机器人为串联机器人，由于各级电机非同步运转，存在响应速度低，串联机械臂定位误差累积较大，设备体积庞大等问题，另一方面串联机器人控制系统开发难度大，而经颅磁刺激治疗需医疗仪器辅助进行，因此数据传输接口相匹配也是一个难题。市面上还有一种基于光学导航定位系统的TMS导航机器人，但其光学导航定位系统主要集中在导航定位软件上，一般使用患者头部的核磁共振扫描图像来重建三维模型，然后利用光学导航定位系统实时跟踪经颅磁刺激线圈的位置，从而实现经颅磁刺激线圈定位，其存在的缺点主要是缺乏患者头部形状信息，无法进行准确的头脑三维模型重建，这就导致目标刺激靶点出现偏差，难以对经颅磁刺激线圈作进一步地精确定位，而且目前光学导航定位系统的价格颇为昂贵。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)手持经颅磁刺激治疗仪存在定位不精准、治疗效果差、易产生误操作等问题；

(2)基于串联机器人的TMS导航定位系统存在响应速度低、串联机械臂累积定位误差大、整个导航系统体积庞大、控制系统开发难度大等问题；

(3)基于光学导航系统的经颅磁刺激治疗仪难以对经颅磁刺激线圈作进一步的精确定位，且光学导航定位系统的价格颇为昂贵，使产品成本较高。

而解决上述问题的要点在于基于现有成熟的技术以及较低成本的前提下研发一套设备实现刺激线圈精准定位至相应的刺激靶点，并且设备的控制系统较容易开发，且与核磁共振等医疗设备数据传输方便。

为解决上述问题，提出一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪，由6-UPS并联机构和两自由度云台串联而成，通过运动控制，可实现刺激线圈快速精准定位，进一步简化经颅磁刺激治疗的临床操作，实现高效治疗。

解决上述问题的意义在于，使用并联机器人结合云台可实现经颅磁刺激线圈的快速定位，因为并联机器人具有响应速度高、末端执行器定位精度高等优点。同时，利用两自由度云台可实现大范围转动，保证了经颅磁刺激线圈可定位至整个脑部区域。最后，此套治疗仪的控制系统开发难度较低，可大大节约开发成本，在满足治疗要求的前提下实现成本最低化。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪。

本发明的实现方式如下，一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪，所述基于并联机器人的TMS自动治疗仪设置有：

桁架结构；

桁架结构为整个设备的机架，用于固定其他机构；

6-UPS并联机构基座固定于桁架结构上，两自由度云台紧固在6-UPS并联机构动平台，经颅磁刺激线圈放置于两自由度云台的俯仰台；

桁架结构上安装双目视觉测量系统；

治疗座椅安装在桁架结构内；

并联机器人控制柜安装于桁架结构内。

进一步，所述的桁架结构为铝型材和合成材料板材拼制而成；

桁架结构作为整个设备的机架，通过地脚螺栓紧固在地面，设备的其他部分固定于桁架结构内；

进一步，6-UPS并联机构基座与桁架结构侧面成一定角度倾斜固定，两自由度云台的方位电机安装于6-UPS并联机构的动平台，刺激线圈放置于两自由度云台的俯仰台；

进一步，双目视觉测量系统安装在桁架机构的顶部，主要是双目相机的安放；

进一步，治疗座椅固定于桁架结构的底端；

进一步，用于控制并联机器人运动的控制柜放置于桁架结构内。

所述并联机器人为6-UPS并联机构与两自由度云台串联而成的并联机器人。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：采用基于并联机器人的导航定位方式，主要是6-UPS并联机构与两自由度云台串联而成的并联机器人。并联机构为6-UPS构型，由动平台、基座、6个电动缸、6个虎克铰、6个复合铰、6个转接板构成。其中6个虎克铰均布在基座某同心圆上，6个电动缸分别与6个虎克铰通过转接板固连，6个电动缸的顶部与6个复合铰通过螺纹连接，6个复合铰均匀分布在动平台某同心圆上。机构可实现沿X、Y、Z三个方向的平动和转动，共计6个自由度，用于刺激线圈的初步定位。两自由度云台有方位运动和俯仰运动两个自由度，由方位台、俯仰台、行星减速步进电机、转轴、传动齿轮等构成，其中一个行星减速步进电机驱动方位台进行方位运动，另一个行星减速步进电机安装在方位台上，通过一对圆柱齿轮经运动传递至转轴，俯仰台通过圆角螺栓紧固在转轴上实现俯仰运动，用于实现刺激线圈的二次精准定位。并联机器人具有定位精度高、响应速度快、控制系统易开发等优点，但其工作空间较小，而刺激线圈需法向垂直于刺激靶点，因此通过两自由度云台的方位和俯仰运动对6-UPS并联机构的工作空间进行补偿，通过运动控制可实现刺激线圈的精准定位。此种利用并联机器人进行刺激线圈定位的经颅磁刺激治疗在国内公开的资料中尚未可见，因此，本发明提出一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪，充分发挥并联机器人的优势，并结合经颅磁刺激治疗需求，解决了治疗过程中存在的各种难题，可保证经颅磁刺激治疗的精准性。

本发明采用双目视觉测量系统获得刺激靶点在并联机器人坐标系中的坐标。由于患者脑部的刺激靶点需要通过核磁共振影像确定，核磁共振影像所获得的刺激靶点坐标是基于核磁共振仪坐标系，而并联机器人末端刺激线圈的位置坐标是基于并联机器人坐标系，因此需要解决核磁共振仪坐标系与并联机器人坐标系之间的坐标变换。首先在患者面部预置靶点，通过双目视觉测量系统获得预置靶点在双目相机坐标系中的坐标，而双目相机安装在桁架结构上，因此其机器坐标系与并联机器人坐标系之间的坐标变换是确定的，即可获得预置靶点在并联机器人坐标系中的坐标，而通过核磁共振影像可获得预置靶点和刺激靶点之间的坐标关系，再依据相应的坐标变换关系，即可获得刺激靶点在并联机器人坐标系中的坐标，再依据此坐标，即可控制并联机器人末端刺激线圈达到相应的刺激靶点。采用双目视觉测量系统，再利用面部预置靶点的方法，即使对不同患者，不同头部形状，仍可使刺激线圈精准定位至刺激靶点。利用双目视觉测量系统技术及预置靶点方法的TMS定位技术在目前公开的资料中尚未可见，因此本发明提出的采用双目视觉测量系统进行刺激靶点定位辅助，可实现经颅磁刺激技术中的刺激线圈精准定位。

本发明采用桁架结构，具有设计、制作、安装简便，成本较低等优点；其次，桁架结构受力体系简单，全是二力杆单元；另外，采用桁架结构，在满足机架要求的前提下，可完全囊括并联机器人、治疗座椅、控制柜等设备的安放，减小了经颅磁治疗仪设备体积。具体分布方式为，并联机器人倾斜安装于桁架结构的侧面，治疗座椅安装于桁架结构的底部，双目视觉测量系统安装于桁架结构的顶部，在底部的空余处安装并联机器人控制柜。此种分布方式在满足机构尺寸设计要求的前提下最大化利用桁架结构的空间。在经颅磁刺激治疗领域，公开资料显示基于机器人导航的定位系统尚未有采用桁架结构作为治疗仪主体的技术存在，因此本发明提出的采用桁架结构作为仪器主体，在满足并联机器人技术要求以及经颅磁刺激治疗技术的前提下，可减小设备体积、降低设备成本等。

下面结合表1对现有的几种经颅磁刺激治疗技术与本发明进行简单比较，充分显示本发明的优点及积极效果。

表1常见经颅磁刺激治疗仪比较

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于并联机器人的TMS自动治疗仪结构示意图；

图2是本发明实施例提供的6-UPS并联机构示意图；

图3是本发明实施例提供的两自由度云台示意图

图4是本发明实施例提供的双目视觉测量系统示意图；

图5是本发明实施例提供的基于并联机器人的TMS自动治疗仪工作流程图。

图中：1、桁架结构顶端；2、铝型材；3、桁架结构底端；4、并联机器人控制柜；5、治疗座椅；6患者模型；7、两自由度云台；8、双目视觉测量系统；9、6-UPS并联机构；10、复合铰；11、动平台；12、电动缸；13、虎克铰；14、基座；15、滚动轴承；16、圆柱齿轮；17、俯仰台；18刺激线圈拍；19、圆角螺栓；20、传动轴；21、行星减速步进电机；22、方位台；23、角接触轴承；24、双目相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种基于并联机器人的TMS自动治疗仪，由6-UPS并联机器人和两自由度云台串联而成；通过运动控制，可实现刺激线圈快速精准定位，进一步简化经颅磁刺激治疗的临床操作，实现高效治疗。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于并联机器人的TMS自动治疗仪包括：桁架结构顶端1、铝型材2、桁架结构底端3、并联机器人控制柜4、治疗座椅5、患者模型6、两自由度云台7、双目视觉测量系统8、6-UPS并联机构9、复合铰10、动平台11、电动缸12、虎克铰13、基座14、滚动轴承15、圆柱齿轮16、俯仰台17、刺激线圈18、圆角螺栓19、传动轴20、行星减速步进电机21、方位台22、角接触轴承23、双目相机24。

桁架结构由顶端1、铝型材2、底端3三部分组成。并联机器人控制柜安装在桁架结构的底端3上，治疗座椅5也安装于桁架结构的底端3，6-UPS并联机构9倾斜安装于桁架结构的铝型材2和顶端1，两自由度云台7安装于6-UPS并联机构9的动平台，双目视觉测量系统安装于桁架结构的顶端1。

如图2所示，6-UPS并联机构9由基座14、动平台11、6个虎克铰13、6个电动缸12、6个复合铰10组成，具体的安装方式为6个虎克铰13均布在基座14某同心圆上，6个电动缸12分别与6个虎克铰13通过转接板固连，6个电动缸12的顶部与6个复合铰10通过螺纹连接，6个复合铰10均匀分布在动平台11某同心圆上。该机构可实现3个平动和3个转动共计6个自由度的运动。

如图3所示，两自由度云台7由2个滚动轴承15、2个圆柱齿轮16、俯仰台17、2个圆角螺栓19、传动轴20、2个行星减速步进电机21、方位台22、角接触轴承23组成。方位台22通过安装于6-UPS并联机构7动平台的行星减速步进电机21驱动，方位台22与6-UPS并联机构7动平台通过角接触轴承支撑，同时方位台22两端安装两个滚动轴承15，用于支撑传动轴20，另一个行星减速步进电机21安装在方位台底部，一个圆柱齿轮16与行星减速步进电机21输出轴连接，另一个圆柱齿轮16固定于传动轴20，一对圆柱齿轮相互啮合传递运动，俯仰台17通过两个圆角螺栓19固定于传动轴上，实现俯仰运动。该机构可实现方位和俯仰两个自由度的运动。

如图3所示刺激线圈18安装于两自由度云台7的俯仰台17。

如图5所示，本发明实施例提供的基于并联机器人的TMS自动治疗仪的实施方法包括：

S501：在患者面部预置靶点，并通过双目视觉测量系统获得预置靶点在双目相机坐标系中的坐标；

S502：通过核磁共振仪获得刺激靶点和预置靶点的坐标；

S503：通过坐标变换关系，首先将预置靶点在双目相机坐标系中的坐标变换至并联机器人坐标系中，其次根据刺激靶点和预置靶点在核磁共振仪中的坐标关系变换出刺激靶点在并联机器人坐标系中的坐标；

S504：根据步骤S503最后获得的刺激靶点在并联机器人坐标系中的坐标，进行相应的轨迹规划，使刺激线圈定位至相应的刺激靶点进行经颅磁刺激治疗。

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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于并联机器人的TMS自动治疗仪，其特征在于，所述并联机器人的TMS自动治疗仪设置有：6-UPS并联机构；两自由度云台；经颅磁刺激治疗仪；桁架结构；双目视觉测量系统；

两自由度云台安装于6-UPS并联机构动平台，将经颅磁刺激线圈安装于两自由度云台的俯仰台上，并联机器人安装在桁架结构上，桁架结构上安装有双目视觉测量系统；

两自由度云台具有方位运动和俯仰运动两个自由度；由方位台、俯仰台、行星减速步进电机、转轴、传动齿轮构成；其中一个行星减速步进电机驱动方位台进行方位运动，另一个行星减速步进电机安装在方位台上，通过一对圆柱齿轮将运动传递至转轴，俯仰台通过圆角螺栓紧固在转轴上实现俯仰运动；

所述6-UPS并联机构为6-UPS构型；由动平台、基座、6个电动缸、6个虎克铰、6个复合铰、6个转接板构成； 其中6个虎克铰均布在基座某同心圆上，6个电动缸分别与6个虎克铰通过转接板固连，6个电动缸的顶部与6个复合铰通过螺纹连接，6个复合铰均匀分布在动平台某同心圆上，此机构具有6个自由度；

两自由度云台安装于6-UPS并联机构动平台，驱动两自由度云台方位运动的行星减速步进电机固定于6-UPS并联机构动平台中心处，行星减速步进电机转轴通过角接触轴承支撑于动平台中心，电机转轴固连于方位台底部，实现方位运动。

2.如权利要求1所述的基于并联机器人的TMS自动治疗仪，其特征在于，将经颅磁刺激线圈安装于两自由度云台的俯仰台上，通过6-UPS并联机构与两自由度云台共同作用，实现刺激线圈的精准定位，实施相应治疗。

3.如权利要求1所述的基于并联机器人的TMS自动治疗仪，其特征在于，并联机器人安装在桁架结构上，桁架材料为铝型材，治疗座椅也在桁架结构内，患者在桁架结构中进行治疗。

4.如权利要求1所述的基于并联机器人的TMS自动治疗仪，其特征在于，桁架结构上安装有双目视觉测量系统，通过双目视觉测量系统获取患者面部的预置靶点坐标，再通过坐标变换关系得到刺激靶点在并联机器人坐标系中的坐标，用于控制并联机器人末端运动至刺激靶点位置，进行相应治疗。

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