CN110478628A - 临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗器械使用方法领域，具体是临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统及方法，包括：机器人初始化工作模块、安全进针控制模块、靶向粒子植入路径规划模块、决策执行模块，其具体使用步骤如下：S1；机器人初始化；S2；位移；S3；进针控制；S4；操作；S5；确定目标位置；S6；进针；S7；读取患者靶点数据；S8；最优路径；S9；自动植入；S10；获得最优路径载入单元；S11；平面移动；S12；检测；S13；确认靶点；S14：执行单元，通过机器人初始化工作模块、安全进针控制模块、靶向粒子植入路径规划模块以及决策执行模块联合使用，可以实现靶向粒子植入机器人粒子植入过程的安全交互，安全稳定，精确度高。

Description

临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体是临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统及方法。
背景技术
据2018年癌症报告统计，中国每年新发癌症病例429万，占全球20％，死亡281万例。近距离放射性治疗适用于治疗泌尿生殖系统肿瘤、腹部肿瘤、消化系统肿瘤以及颅内肿瘤。临床该类手术通过腺体腔道作为手术入路，医生手持粒子植入器械经过导向模板到表皮，以表皮作为入口，刺破腺体硬膜，最后抵达肿瘤腺体靶区进行局部精准放射。通过大量临床手术评估，证实了该类手术靶向性强、创伤小、疗效快、副作用少等优势。当前国内外的粒子植入多为手动进行，操作中医生需要反复调整穿刺入口到靶点的路径，刺入过程必须保持手眼完全一致以及持续力控制，才能确保粒子放入放置位置。临床“图像导航人眼观察+器械人手操作”的方式，一方面受到人类肉眼观察精度和手工操作精度瓶颈的限制，另一方面长时间手术操作导致的手眼疲劳，难以实现恶性肿瘤的精准治疗，缺乏具备一定自主安全交互的治疗手段。考虑临床动态、核辐射物理环境，对手术操作精准性、安全性和伦理性严苛性要求，靶向粒子植入机器人应该具备一定安全交互能力。目前，国内对该领域的研究工作还较少，主要的研究是针-软组织交互时的进针策略，日本早稻田大学Tsumura提出针体双向旋转联合轴向振动进针方法，减少针尖偏转、组织缠绕以及穿刺力，又通过动态针插入角度，来补偿插入方向与靶点距离误差。波士顿大学Mahvash提出高速进针能减少针尖撕裂软组织裂纹传播及变形，减少针体偏转和软组织损伤。宾夕法尼亚州立大学Schwartz等采用析因设计分析了进针速度、针材料对针偏转影响规律，选择较合适水平来减小针偏转，以此提高穿刺针的精度。哈尔滨工业大学孙银山提出了基于力/位反馈进针速度模糊交互控制方法，穿刺针进入肝脏瞬间，机器人自动停止进针，直到软组织恢复松弛状态，再以减半速度实施穿刺。现有的针-软组织交互进针策略，在一定程度上提高了靶向粒子植入的精度和安全性能，考虑临床动态、核辐射物理环境，对手术操作精准性、安全性和伦理性严苛性要求，一种更加适用用于人体截石位狭窄空操作的靶向粒子植入机器人人机安全交互方法具有重要理论价值和现实意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统及方法。
临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,包括：
机器人初始化工作模块，对机器人本体进行初定位机构以提高机器人本体的定位精度；
安全进针控制模块，与机器人初始化工作模块配合对机器人本体进行精确定位；
靶向粒子植入路径规划模块，与安全进针控制模块及机器人初始化工作模块配合对靶向粒子获得最优路径的规划；
决策执行模块，与安全进针控制模块配合实现机器人本体和进针的安全控制。
所述的机器人初始化工作模块包括通过机器人本体的移动变量，找到该变量中的零位点的机器人本体回零位单元、通过机器人本体末端移动变量的最大值，将所述的末端点作为定位基点，确定该定位基点为虚拟安全平面的标定虚拟安全平面单元以及根据机器人本体末端针尖移动变量的值，确定出导向平板位置的标定导向平板相对零位单元。
所述的安全进针控制模块包括针对机器人本体末端确定的虚拟安全平面，确定安全进针控制策略的机器人定位部分安全交互单元、针对机器人本体末端针尖确定的导向平板相对零位，确定针尖的控制策略的机器人末端部分安全交互单元。
所述的靶向粒子植入路径规划模块包括通过预设的进针目标位置确定靶点数据的患者靶点数据读取单元、确定靶向粒子移动路径的粒子植入路径规划单元以及最优路径载入单元。
所述的决策执行模块包括机器人控制末端执行器到达表皮入射点的安全交互控制作用的机器人定位部分安全交互单元、执行针与软组进针过程的安全交互作用的机器人末端部分安全交互单元、辅导机器人执行末端的植入器安全的进入软组织的机器人粒子植入自动执行单元。
利用临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其具体步骤如下：
S1：机器人初始化：将机器人本体归位，各项数据及平面坐标初始化；
S2：位移：使用机器人定位部分控制机器人的大、小臂的位移；
S3：进针控制：根据导向平板的位置进行安全进针控制；
S4：操作：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以内确定机器人末端在安全平面以内进行操作；
S5：确定目标位置：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以外确定机器人末端的目标位置；
S6：进针：根据预设的进针目标位置确定对应的进针位置，即针尖相对于相对零点的三维坐标(xi,yi,zi)；
S7：读取患者靶点数据：通过靶点坐标用运动学逆解模型解算出机器人各个关节的目标输入量，在导向模板上规划靶点位置20-30个，获取患者的靶点数据并进进行读取；
S8：最优路径：针对获取的靶点数据，采用A*算法以获取最优的粒子植入路径；
S9：自动植入：根据得到的最优路径对每一个靶点数据调整后自动植入；
S10：获得最优路径载入单元：根据所述的粒子植入路径规划单元来获得最优路径载入单元；
S11：平面移动：针对所述的机器人定位部分，通过机器人内部编程利用机器人定位部分安全交互单元模块确定机器人定位部分能在安全平面移动；
S12：检测：根据机器人末端部分安全交互单元模块，在所述的机器人末端部分进行针尖的受力和针尖的位置来确定末端的进针控制进行检测；
S13：确认靶点：通过机器人上设置的超声图像实时跟踪以及粒子植入数目的控制，确定粒子安全到达靶点；
S14：执行单元：在所述的粒子安全到达靶点，进行机器人粒子植入自动执行单元，确定人机安全交互完成。
所述的步骤S3在导向模板选择一个靶点的孔的中心作为一个相对零位，具体的方式是操作机器人末端执行器重复3次到这个靶点，记录并保存下来，导向模板上剩下的靶点以这个为零位，来依次执行，每个靶点都根据机器人基座中心为零位确定出导向平板位置。
所述的步骤S4机器人控制机器人末端执行器上的外针定位时，外针距离导向板在靠近机器人一侧3mm-5mm左右时，即平行于导向模板的平面为安全平面，在这个靠近机器人一侧的安全平面以内，机器人本体包括末端执行器均可操纵；在这个靠近导向板一侧的安全平面以外，机器人本体定位部分不能操纵，操纵植入器。
所述的步骤S5中目标的评判标准为机器人末端执行器到达虚拟安全平面以外，即机器人末端穿刺针已经在进入导向板上规划靶点(x,y)向坐标了，即针能进入导向模板的导向孔，需要调整z向的距离，即进针深度。
所述的步骤S14中通过以下步骤完成自动执行：
S1：内针、外针回零操作；
S2：在安全平面上移动(x,y,z)，调用安全进针控制模块的机器人定位部分安全交互程序。
S3：进外针，装弹操作；
S4：进内针，送粒子操作；
S5：内针到达顶出位置，还需注射粒子；
S6：外针针尖力超过阈值，停止进针，调用安全进针控制模块的机器人末端部分安全交互程序；
S7：无条件重新开始，执行完毕。
本发明的有益效果是：通过安全进针控制模块与决策执行模块的组合使用，可以实现机器人本体和进针的安全控制，保证进针前后的稳定性和安全性；通过机器人初始化工作模块、安全进针控制模块、靶向粒子植入路径规划模块以及决策执行模块联合使用，可以实现靶向粒子植入机器人粒子植入过程的安全交互。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的安全进针控制模块使用流程示意图；
图3为本发明的靶向粒子植入路径规划模块使用流程示意图；
图4为本发明的决策执行模块使用流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图4所示，临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,包括：
机器人初始化工作模块，对机器人本体进行初定位机构以提高机器人本体的定位精度；
安全进针控制模块，与机器人初始化工作模块配合对机器人本体进行精确定位；
靶向粒子植入路径规划模块，与安全进针控制模块及机器人初始化工作模块配合对靶向粒子获得最优路径的规划；
决策执行模块，与安全进针控制模块配合实现机器人本体和进针的安全控制。
所述的机器人初始化工作模块包括通过机器人本体的移动变量，找到该变量中的零位点的机器人本体回零位单元、通过机器人本体末端移动变量的最大值，将所述的末端点作为定位基点，确定该定位基点为虚拟安全平面的标定虚拟安全平面单元以及根据机器人本体末端针尖移动变量的值，确定出导向平板位置的标定导向平板相对零位单元。
所述的安全进针控制模块包括针对机器人本体末端确定的虚拟安全平面，确定安全进针控制策略的机器人定位部分安全交互单元、针对机器人本体末端针尖确定的导向平板相对零位，确定针尖的控制策略的机器人末端部分安全交互单元。
所述的安全进针控制策略是针进入软组织后，多穿刺过程的安全进针控制，具体策略为在2017年6月1日的哈尔滨理工大学博士论文中“前列肾放射性粒子植入机器人关键技术研究”的第48页中提到，属于公开技术，本发明不做具体阐述。
所述的针尖的控制策略是在机器人末端到达外针距离导向板，即靠近机器人一侧3mm-5mm时，有个安全进针控制，具体策略为在2017年6月1日的哈尔滨理工大学博士论文中“前列肾放射性粒子植入机器人关键技术研究”的第70页中提到，属于公开技术，本发明不做具体阐述。
所述的靶向粒子植入路径规划模块包括通过预设的进针目标位置确定靶点数据的患者靶点数据读取单元、确定靶向粒子移动路径的粒子植入路径规划单元以及最优路径载入单元。
所述的决策执行模块包括机器人控制末端执行器到达表皮入射点的安全交互控制作用的机器人定位部分安全交互单元、执行针与软组进针过程的安全交互作用的机器人末端部分安全交互单元、辅导机器人执行末端的植入器安全的进入软组织的机器人粒子植入自动执行单元。
利用临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其具体步骤如下：
S1：机器人初始化：将机器人本体归位，各项数据及平面坐标初始化；
S2：位移：使用机器人定位部分控制机器人的大、小臂的位移；
S3：进针控制：根据导向平板的位置进行安全进针控制；
S4：操作：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以内确定机器人末端在安全平面以内进行操作；
S5：确定目标位置：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以外确定机器人末端的目标位置；
S6：进针：根据预设的进针目标位置确定对应的进针位置，即针尖相对于相对零点的三维坐标(xi,yi,zi)；
S7：读取患者靶点数据：通过靶点坐标用运动学逆解模型解算出机器人各个关节的目标输入量，在导向模板上规划靶点位置20-30个，获取患者的靶点数据并进进行读取；
S8：最优路径：针对获取的靶点数据，采用A*算法以获取最优的粒子植入路径；
S9：自动植入：根据得到的最优路径对每一个靶点数据调整后自动植入；
S10：获得最优路径载入单元：根据所述的粒子植入路径规划单元来获得最优路径载入单元；
S11：平面移动：针对所述的机器人定位部分，通过机器人内部编程利用机器人定位部分安全交互单元模块确定机器人定位部分能在安全平面移动；
S12：检测：根据机器人末端部分安全交互单元模块，在所述的机器人末端部分进行针尖的受力和针尖的位置来确定末端的进针控制进行检测；
S13：确认靶点：通过机器人上设置的超声图像实时跟踪以及粒子植入数目的控制，确定粒子安全到达靶点；
S14：执行单元：在所述的粒子安全到达靶点，进行机器人粒子植入自动执行单元，确定人机安全交互完成。
所述的步骤S3在导向模板选择一个靶点的孔的中心作为一个相对零位，具体的方式是操作机器人末端执行器重复3次到这个靶点，记录并保存下来，导向模板上剩下的靶点以这个为零位，来依次执行，每个靶点都根据机器人基座中心为零位确定出导向平板位置。
所述的步骤S4机器人控制机器人末端执行器上的外针定位时，外针距离导向板在靠近机器人一侧3mm-5mm左右时，即平行于导向模板的平面为安全平面，在这个靠近机器人一侧的安全平面以内，机器人本体包括末端执行器均可操纵；在这个靠近导向板一侧的安全平面以外，机器人本体定位部分不能操纵，操纵植入器。
所述的步骤S5中目标的评判标准为机器人末端执行器到达虚拟安全平面以外，即机器人末端穿刺针已经在进入导向板上规划靶点(x,y)向坐标了，即针能进入导向模板的导向孔，需要调整z向的距离，即进针深度。
所述的步骤S14中通过以下步骤完成自动执行：
S1：内针、外针回零操作；
S2：在安全平面上移动(x,y,z)，调用安全进针控制模块的机器人定位部分安全交互程序。
S3：进外针，装弹操作；
S4：进内针，送粒子操作；
S5：内针到达顶出位置，还需注射粒子；
S6：外针针尖力超过阈值，停止进针，调用安全进针控制模块的机器人末端部分安全交互程序；
S7：无条件重新开始，执行完毕。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,其特征在于：包括：
机器人初始化工作模块，对机器人本体进行初定位机构以提高机器人本体的定位精度；
安全进针控制模块，与机器人初始化工作模块配合对机器人本体进行精确定位；
靶向粒子植入路径规划模块，与安全进针控制模块及机器人初始化工作模块配合对靶向粒子获得最优路径的规划；
决策执行模块，与安全进针控制模块配合实现机器人本体和进针的安全控制。
2.根据权利要求1所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,其特征在于：所述的机器人初始化工作模块包括通过机器人本体的移动变量，找到该变量中的零位点的机器人本体回零位单元、通过机器人本体末端移动变量的最大值，将所述的末端点作为定位基点，确定该定位基点为虚拟安全平面的标定虚拟安全平面单元以及根据机器人本体末端针尖移动变量的值，确定出导向平板位置的标定导向平板相对零位单元。
3.根据权利要求1所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,其特征在于：所述的安全进针控制模块包括针对机器人本体末端确定的虚拟安全平面，确定安全进针控制策略的机器人定位部分安全交互单元、针对机器人本体末端针尖确定的导向平板相对零位，确定针尖的控制策略的机器人末端部分安全交互单元。
4.根据权利要求1所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,其特征在于：所述的靶向粒子植入路径规划模块包括通过预设的进针目标位置确定靶点数据的患者靶点数据读取单元、确定靶向粒子移动路径的粒子植入路径规划单元以及最优路径载入单元。
5.根据权利要求1所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统,其特征在于：所述的决策执行模块包括机器人控制末端执行器到达表皮入射点的安全交互控制作用的机器人定位部分安全交互单元、执行针与软组进针过程的安全交互作用的机器人末端部分安全交互单元、辅导机器人执行末端的植入器安全的进入软组织的机器人粒子植入自动执行单元。
6.利用权利要求1至5中任一项所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其特征在于：其具体步骤如下：
S1：机器人初始化：将机器人本体归位，各项数据及平面坐标初始化；
S2：位移：使用机器人定位部分控制机器人的大、小臂的位移；
S3：进针控制：根据导向平板的位置进行安全进针控制；
S4：操作：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以内确定机器人末端在安全平面以内进行操作；
S5：确定目标位置：针对所述的导向平板，在虚拟安全平面以外确定机器人末端的目标位置；
S6：进针：根据预设的进针目标位置确定对应的进针位置，即针尖相对于相对零点的三维坐标(xi,yi,zi)；
S7：读取患者靶点数据：通过靶点坐标用运动学逆解模型解算出机器人各个关节的目标输入量，在导向模板上规划靶点位置20-30个，获取患者的靶点数据并进进行读取；
S8：最优路径：针对获取的靶点数据，采用A*算法以获取最优的粒子植入路径；
S9：自动植入：根据得到的最优路径对每一个靶点数据调整后自动植入；
S10：获得最优路径载入单元：根据所述的粒子植入路径规划单元来获得最优路径载入单元；
S11：平面移动：针对所述的机器人定位部分，通过机器人内部编程利用机器人定位部分安全交互单元模块确定机器人定位部分能在安全平面移动；
S12：检测：根据机器人末端部分安全交互单元模块，在所述的机器人末端部分进行针尖的受力和针尖的位置来确定末端的进针控制进行检测；
S13：确认靶点：通过机器人上设置的超声图像实时跟踪以及粒子植入数目的控制，确定粒子安全到达靶点；
S14：执行单元：在所述的粒子安全到达靶点，进行机器人粒子植入自动执行单元，确定人机安全交互完成。
7.根据权利要求6所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其特征在于：所述的步骤S3在导向模板选择一个靶点的孔的中心作为一个相对零位，具体的方式是操作机器人末端执行器重复3次到这个靶点，记录并保存下来，导向模板上剩下的靶点以这个为零位，来依次执行，每个靶点都根据机器人基座中心为零位确定出导向平板位置。
8.根据权利要求6所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其特征在于：所述的步骤S4机器人控制机器人末端执行器上的外针定位时，外针距离导向板在靠近机器人一侧3mm-5mm时，即平行于导向模板的平面为安全平面，在这个靠近机器人一侧的安全平面以内，机器人本体包括末端执行器均可操纵；在这个靠近导向板一侧的安全平面以外，机器人本体定位部分不能操纵，操纵植入器。
9.根据权利要求6所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其特征在于：所述的步骤S5中目标的评判标准为机器人末端执行器到达虚拟安全平面以外，即机器人末端穿刺针已经在进入导向板上规划靶点(x,y)向坐标了，即针能进入导向模板的导向孔，需要调整z向的距离，即进针深度。
10.根据权利要求6所述的临床截石位靶向粒子植入机器人人机安全交互系统的方法,其特征在于：所述的步骤S14中通过以下步骤完成自动执行：
S1：内针、外针回零操作；
S2：在安全平面上移动(x,y,z)，调用安全进针控制模块的机器人定位部分安全交互程序。
S3：进外针，装弹操作；
S4：进内针，送粒子操作；
S5：内针到达顶出位置，还需注射粒子；
S6：外针针尖力超过阈值，停止进针，调用安全进针控制模块的机器人末端部分安全交互程序；
S7：无条件重新开始，执行完毕。
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