CN111712211B - 用于mri引导的神经外科手术的机器人立体定向系统 - Google Patents

用于mri引导的神经外科手术的机器人立体定向系统 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于双侧立体定向术的神经外科手术机器人系统，该系统集成了术中MRI引导。该机器人系统可以在常规的MRI诊断用设施中实施。双侧大脑目标的导航可以独立执行，也可以同时执行。该机器人系统包括多个操纵器、针引导部(31)、设置在针引导部(31)内的针(12)；以及具有用于骨安装的多个螺钉孔的安装基部(39)。

Description

用于MRI引导的神经外科手术的机器人立体定向系统
技术领域
本发明的实施例涉及医疗机器人，特别涉及用于磁共振成像(MRI)引导的干预的手术机器人。
背景技术
立体定向术是一种可以使用外部坐标系作为参考来定位手术目标的技术。它在功能性神经外科手术中的应用主要旨在治疗各种运动障碍(例如帕金森氏病(PD)和肌张力障碍)、精神异常和癫痫。仅PD本身是神经系统中仅次于阿尔茨海默氏病的第二大疾病，预计到2030年将影响全球870万人。
脑深部刺激术(DBS)是一种常见的立体定向手术，它是一种可减轻PD和肌张力障碍的运动症状的手术疗法。两个长的(例如300mm)细的
Figure BDA0002605306920000013
Figure BDA0002605306920000014
DBS针可由立体定向框架单独引导，并通过钻孔插入患者的颅骨。然后，将嵌入在针的尖端的刺激电极植入到关注的脑深部区域，从而递送编程的电脉冲。
尽管立体定向神经外科手术的标准工作流程已经建立了半个多世纪，但由于其复杂的工作流程和对手术准确性的高要求，操作仍然具有挑战性。2-3mm的平均记录误差几乎无法容忍。在开颅手术后不可避免地发生的颅内内容物的大量变形，即“脑移位”，使立体定向导航进一步复杂化。这种移位主要是由于重力、脑脊液(CSF)泄漏、麻醉和手术操纵引起的。它可能会导致术前(pre-op)计划路径的失准(最大10-30mm)，超出实际目标。与荧光透视/CT不同，MRI可以直接可视化关键的大脑结构和关注的目标(例如丘脑下核(STN)、内苍白球(GPi)或腹中间核)。
目前，磁共振(MR)安全立体定向系统的选择非常有限(例如，爱尔兰美敦力公司的
Figure BDA0002605306920000011
和美国MRI干预公司的
Figure BDA0002605306920000012
)。它们通常需要对立体定向框架进行大量的手动调整，并且需要将患者从扫描仪孔中移入和移出。
紧凑性和MRI兼容性是关于常规医院设置中机器人的可行性和适应性的两个关键问题。很少有机器人平台可以装配在MRI头部线圈内，并且在连续成像期间也可以操作而不会降低图像质量。通常，没有用于功能性神经外科手术的机器人系统，其集成了MR安全致动和基于MR的追踪，能够在MRI孔内执行立体定向操纵。
发明内容
本发明的实施例提供了一种用于双侧立体定向手术的术中MRI引导的机器人。立体定向手术的安全性和有效性取决于两个主要因素：(1)在不损坏关键脑组织的情况下，细致地监控电极插入路径；以及(2)以高精度(<2mm)到达STN的能力。机器人设计为：i)紧凑，使得可以在头部线圈给出的严格尺寸限制内将机器人主体正确地固定在患者的颅骨上；ii)能够自动进行轨迹规划和仪器对准；iii)独立地进行双侧操纵；以及iv)通过确保机器人平台中不包含任何磁性部件，来满足MRI与ASTM F2503标准的兼容性。通常，机器人的操作不会在成像感兴趣区域(ROI)内引起明显的图像伪影或信噪比(SNR)的显著降低。
本发明的实施例提供了紧凑的设计，其使得机器人能够在标准成像头部线圈的受限空间内双侧地操作。集成了MR安全、高性能的液压传动，其中可预加载工作介质并确保高传动刚度。在模拟的脑深部刺激术(DBS)的针插入任务中已经证明了足够的瞄准准确性。采用了基于MR的追踪技术，并能够在适当的MR追踪序列下提供机器人仪器的实时和连续(30-40Hz)三维定位。该技术优于使用只能在MR图像域中显示的低对比度被动基准点的常规方法。可以利用可以与机器人集成的无线追踪单元/标记，且其包括在柔性薄膜上制成的小型线圈电路。为了可视化机器人仪器的三维定位，已在标准MRI设定下执行了导航测试。MRI兼容性测试已证明对所提出的液压机器人平台的MR图像影响最小。
本发明的实施例包括能够基于患者颅骨上的单个锚定来执行双侧神经立体定向术的第一术中MRI引导的机器人的以下开发。两个双侧目标的导航可以独立执行，也可以同时执行。轻巧紧凑的机器人设计成在MR成像头部线圈的受限的工作空间内操作。可以通过一组高性能的液压传动来致动机器人，这些液压传动具有MR安全性/产生最少的成像伪影。可以集成MRI引导的导航，并利用无线的基于MR的追踪线圈单元，以直接在MR图像坐标中提供实时位置反馈。这避免了追踪和成像空间的坐标之间的离线配准的任何过程。
机器人可以在常规的诊断用MRI设施中实现，而在手术过程期间无需转移患者、扫描仪或仪器。它还允许神经外科医师在控制室中远程操作外科手术(例如DBS)工具。这防止患者和临床医生暴露于潜在有害的辐射。这样可以保持流畅的手术流程，并且还可以使相同房间内的放射科医生和助手之间的沟通更加容易。
附图说明
图1是用于术中MRI引导的双侧立体定向神经外科手术的MRI兼容的机器人的图像。
图2a是示出两个(双侧)操纵器的图，它们在MRI头部线圈的受限空间内附接在颅骨上且以两个极端配置完全伸展。
图2b是具有两个可能配置的瞄准大脑目标的单个操纵器的图。
图3是示出双侧立体定向操纵器的机构的图。
图4是示出双侧立体定向操纵器的矢状面的图。
图5是示出集成用于针插入的针引导部的线性致动器的图。
图6是单个操纵器的运动图，具有分别定义在壳基部和针尖端的坐标系ψo和ψE。
图7是1自由度致动设计的图像和示意图。
图8a是嵌入有基于MR的追踪器的针引导部的图像。图8b是脑模体(以冠状视图)的MR图像，通过对应的亮点显示了两个追踪标记。图8c以冠状视图示出了高对比度标记上增强的仪器的虚拟配置。
图9是示出MRI引导的机器人辅助立体定向的系统示意图。
图10是当机器人置于等深点(isocenter)且在不同条件下操作时的，在T2加权快速自旋回波序列下的信噪比模体的MRI图像。
图11是信噪比(SNR)测试结果的曲线图。
图12a示出了常规的立体定向神经外科手术的外科手术流程。图12b示出了MRI引导的机器人辅助的立体定向神经外科手术的外科手术流程。
图13是力位移的曲线图，示出了在四个预加载水平下的致动模块的传动刚度。
具体实施方式
本发明的实施例设计为执行双侧仪器导航。在一个实施例中，本发明用于在手术的术中阶段期间的MRI引导的脑深部刺激术(DBS)。图3中示出了所提出的机器人操纵器的CAD模型和部件。并联机构在定位精确度和刚度方面具有优势。机器人的平面位置由两个致动的旋转接头和三个被动的旋转接头控制。该设计使两个操纵器各具有4个自由度、双侧设置的双层五连杆。
操纵器包括至少一个刚性臂、至少一个外壳、以及至少一个安装基部，其经由至少一个安装单元(优选骨螺钉)固定至颅骨。所有锚定部位均远离矢状缝，以避免可能损伤下方的关键结构。在本发明的实施例中，臂的最低表面可以在钻孔上方约20-30mm，这取决于患者特定的颅骨曲率和其锚定部位(例如，参见图4)。保留入口点处的该暴露空间以供医生观察。出于多功能性，可以根据术前图像为患者量身定制安装基部。可以将所有的外壳手动插入并用安装基部固定。保留表面上的槽以用于附接配准标记。还形成了通道，以允许固定护套的端部，以更好地进行腱绳(tendon)布线。外壳内的回转接头由此可由腱绳致动。两个球形接头在前臂的远端处并入。针引导部通过这两个接头定向，并且用上接头轴向固定。在将针穿过由双层操纵器的两个端部执行器保持的套管插入之前，可以由针止动部预设允许的插入深度。软质材料也嵌入在套管/针止动部的内部，以通过引起滑动摩擦来限制针的线性运动。
采用短腱绳驱动的设计旨在达到严格的标准，不仅在头部线圈施加的空间限制的方面，而且在可能会使患者感到不适的重量的方面。图7示出了MRI室中的从动操纵器，该从动操纵器与一对液压传动单元22连线，该一对液压传动单元22与控制室中的另一对液压传动单元连接。从动装置的这种紧凑设计可以使运动惯性最小化，并有助于在受限的工作空间中的操纵灵活性。它仍然能够施加由液压马达产生的有希望的水平的扭矩/力。部件可以通过3D打印来制造和/或由聚合物组成。
对于1自由度的致动，如图7所示，操纵器基部接头和液压单元之间分开的距离可以小于200mm，并与紧密穿过护套24的一圈薄腱绳相连接。护套材料是轴向不可压缩的，以防止施加在颅骨上的突然/过大的拉力。即使在高拉伸强度下，它也以足够的柔韧性支持腱绳的路线。适当的润滑可以减少腱绳-护套摩擦。两个惰轮26也可以用于预加载张力，以便减少任何机械间隙。
主(其可以位于控制室中)和从(其可以位于MRI室中)致动系统可以包括两个相同的线性到旋转机构(例如，参见图7)。液压动力来自电动机29，并经由一对半刚性长管传动。这些设计参数对传动动力学的性能至关重要。建议使用长度较短且直径较大的管道，其可减少流体摩擦、传动延迟和能量损失。管道可以填充不可压缩的液体28(例如水)并通过两个房间之间的波导。可以预加载液体压力，以将活塞17推向小齿轮和齿条齿轮，从而使它们的齿保持稳定接触而无间隙。
包括滚动膜片27的密封件用于密封气缸，并在传动期间产生可忽略的滑动摩擦。膜片27的壁可以用织物增强以用于高流体压力。由此产生的传动响应和功率效率可以超过带O形环的常规液压密封，O形环的滑动摩擦是显著的。
图2-4示出了本发明的实施例的CAD模型和部件。并联机构在定位精确度和刚度方面具有优势。平面位置由两个致动的旋转接头和三个被动的旋转接头控制。该设计产生两个4自由度、双侧设置的双层五连杆操纵器。在一个实施例中，操纵器包括刚性臂、四个外壳33、以及安装基部39，安装基部39经由四个骨螺钉固定至颅骨，每侧两个骨螺钉。锚定部位与矢状缝间隔开，以避免可能对患者造成损伤。安装基部39可以针对特定患者量身定制。可以将外壳33手动插入并用安装基部39固定。可以保留表面以附接配准标记。可以形成通道38，以允许固定护套的端部，以更好地进行腱绳布线。外壳内的回转接头可由腱绳致动。两个球形接头41可以在前臂32的远端处并入。针引导部31可以通过这两个接头来定向，并且用上接头轴向固定。在通过套管插入针12之前，可以通过针止动部34预先设置允许的插入深度。软质材料35也可以嵌入套管内，以通过引起滑动摩擦来限制针12的线性运动。
为了自动插入针，可以将线性致动器集成到针引导部中。它可以由类似的主从致动器机构来驱动(例如，参见图5)。针引导部将针约束在平移运动中。可以使用由辊组成的摩擦驱动，其中一个提供动力(驱动辊)，另一个被动从动(从动辊)。高摩擦是由包围辊的软质材料的粗糙表面确保的。它们可以向内或向外旋转以插入或取出针。两个辊轴之间的距离小于软质辊的外径，以保持彼此相对的径向推动力并增加对针的夹持力。腱绳连接到驱动辊，而从动致动器的其余部分可以全部放置在手术台上。
在本发明的实施例中，手术机器人包括安装在单个安装基部上的两个操纵器。如图3所示，两个操纵器设置在安装基部39上以允许同时和独立的双侧操作。每个操纵器包括基于腱绳的下致动器和堆叠在下致动器的顶部上的基于腱绳的上致动器。安装基部39可以连接到每个下致动器的外壳33。上致动器和下致动器的外壳33可以各自具有腱绳通道38，以允许腱绳穿过并致动每个致动器的两个旋转接头。每个旋转接头可以连接到上臂37的近端。每个前臂的远端可以连接到被动接头。每个被动接头可以连接到前臂32，且每个致动器的两个前臂32可以与球形接头41连接在一起。针引导部31可以插入上致动器和下致动器的球形接头41中。可以用手和/或线性致动器将针插入针引导部31中并与针止动部34装配以在手术期间进行辅助。基于MR的追踪器30可以嵌入针引导部31中。安装基部39可以经由四个骨螺钉固定至颅骨，安装基部39的每一侧两个骨螺钉。
图6绘示了一个双层操纵器的运动图。在外壳基部和针尖端处分别定义了两个坐标系ψo和ψE。套管分别从上层和下层由两个被动接头Ju5和Jl5连接，套管的位置可以分别通过包含点Puk和Plk的上层和下层的独立(x-y)平面运动来操纵。这些点表示对于k＝1，2，3，4的对应的接头Juk和Jlk的2D坐标，可以通过以下方程组求解：
Figure BDA0002605306920000061
水平偏移a分离两个致动的接头，垂直偏移b分离上层和下层。可以将致动的接头的阵列定义为q＝[qu1，qu2，qu3，qu4]T，可以在该五连杆机构中找到两种类型的两个奇点。第一个是在形状为共线时发生的(例如，接头Jl3，Jl4，Jl5成一条线)，第二个是仅当臂完全伸展时发生的。为了防止前臂的对共线，可以利用相对旋转的机械限制。例如，Jl5可以总是位于Jl1，Jl2，Jl3和Jl4的四边形区域之外。为了求解逆运动学，针的取向可以由单位
Figure BDA0002605306920000071
表示，且表示为：
Figure BDA0002605306920000072
假设插入深度du和dl分别定义了从接头Ju5和Jl5到大脑目标的线性距离。用作两个操纵器的最终端执行器的针尖端42，pe的位置可以计算为：
Figure BDA0002605306920000073
举例来说，为了找到四个致动的接头角度，q＝[qu1，qu2，qu3，qu4]T，基于相对于MR图像坐标的所需的针位置，需要机器人和图像坐标系之间的共配准。计算的参数(即，pe和
Figure BDA0002605306920000074
)可以在ψo中定义。坐标pu5和pl5可以通过使用线方程计算针和两个层的交叉点来找到：
Figure BDA0002605306920000075
坐标puf和plf分别属于三角形ΔJu1，Ju3，Ju5和ΔJl1，Jl3，Jl5，角度∠Ju3Ju1Ju5和∠Ju4Ju2Ju5(表示为θu1，θu2)可以分别使用余弦定律在三角形ΔJu1，Ju3，Ju5和ΔJl2，Jl4，Jl5中通过下式来求解：
Figure BDA0002605306920000076
Figure BDA0002605306920000077
为了避免第二种奇点，接头Ju3，Ju4例如可能位于ΔJu1，Ju3，Ju5以外，使得qu1＝θu1+αu1且qu2＝π–(θu2+αu2)。本领域普通技术人员应该理解，其他致动参数可以通过类似的过程来求解。
首先，将基于MR的无线追踪引入这种机器人立体定向(例如，参见图8)。图9示出了MRI引导机器人立体定向的系统设置。两个或更多个追踪器30可以嵌入针引导部31(图8a)中。可以将注入了MRI可见液体的软质中空环附接到钻孔，以定位入口点并立即进行轨迹规划。3D扰相梯度回波(SPGR)序列可用于评估针引导部的位置和取向。然后可以将针插入并以相同的成像序列进行扫描。图8b和8c以冠状视图示出了所得的MR图像和3D重建。追踪器和插入的针都可以可视化。两个追踪器的信号强度与背景和脑模体的信号强度形成鲜明对比。通过在较低的翻转角度(例如1°)下进行专门的激励，这种对比可以进一步增强，这样可以使背景信号最小化。
图10示出了当机器人放置在体模旁边的等深点并在不同条件下操作时，体模在快速自旋回波序列下的MRI图像。第一条件是“没有机器人”，即，只有体模放置在扫描仪中。第二条件是“机器人静态”，即机器人已被引入扫描仪，但所有电源已关闭。在第三条件下，即“机器人通电”，电源已打开，但是机器人是静态的。第四条件是“机器人运动”，其为机器人处于正常操作状态时。比较了与两个条件(基线和机器人操作)对应的图像。强度变化在30％或以上的像素被视为伪影。这些伪影将在二进制图中显示为白色像素。在体模区域内未观察到伪影。根据ASTM标准所定义的，它表示机器人产生零伪影的操作。
在本发明的实施例中，机器人可以包括两个操纵器，其安装在形成在颅骨中的两个钻孔上。每个操纵器可以在由每个对应的钻孔接近的仪器上提供4个自由度操纵，包括在颅骨表面上沿着x-y平面的俯仰、滚转和偏移。这有助于将所需的直线轨迹对准大脑目标。
为了便于双侧立体定向操纵，本发明的实施例可以设计为：i)紧凑，使得可以由于头部线圈引起的严格尺寸限制内将机器人固定在颅骨上，ii)能够自动进行轨迹规划和仪器对准，iii)独立地进行双侧操纵，以及iv)通过确保机器人平台中不包含任何磁性部件，来满足MRI与ASTM F2503标准的MRI兼容性。通常，机器人不会在感兴趣区域(ROI)内引起明显的伪影或信噪比(SNR)的显著降低。
图12示出了常规的和MRI引导的机器人辅助的立体定向神经外科手术的工作流程。通过实时MRI引导和机器人操纵，可以消除患者位置、配准和脑移位等方面的目标错误。可以显著减少手术时间以及手术费用。它可以涉及MRI扫描、使用机器人/MRI兼容的仪器以及机器人操作所需的额外人力。
图12a示出了常规立体定向神经外科手术的可能的外科手术流程。常规外科手术可分为术前、术中和术后阶段。术前即刻阶段可发生在术前阶段和术中阶段之间。在术前阶段期间，医务人员可以通过执行MRI、计算机断层(CT)扫描、血液测试以及解决患者可能存在任何焦虑，来对患者进行生理和心理评估。医务人员可以另外制定计划，以最好地达到手术的理想结果。
在术前即刻阶段期间，可以将立体定向框架连同标记一起附接至患者的头部。可以对佩戴立体定向框架的患者进行CT扫描，并可以在CT扫描图像和任何术中工具位置之间进行配准。之后，可以将患者转移到手术室或手术厅。
在术中阶段期间，医务人员可以在患者的头部上设置立体定向框架。可以在病人的颅骨上钻取或刮取钻孔。可以通过钻孔将针手动插入患者的大脑。如果患者正在接受脑深部刺激术，则可以植入微电极以监测对刺激的电响应。如果达到了预期的目标，则可以将针移除并密封钻孔。但是，如果尚未达到所需的目标，则可以重新插入针并重复该过程。
手术完成后，可以将患者转出手术室并监视手术后的效果。可以在术后阶段期间进行MRI扫描，医务人员可以确定是否需要任何其他治疗。
图12b示出了MRI引导的机器人辅助的立体定向神经外科手术的外科手术流程。术前阶段与常规的立体定向神经外科手术术前阶段相似。术前阶段结束后，可以将患者转移到手术室。MRI引导的机器人可以用螺钉固定到患者的颅骨。可以执行MRI扫描，并且可以将MRI图像与机器人坐标系配准。医务人员可以在患者的颅骨中形成一个或多个钻孔。外科医生可以使用基于MRI的追踪和图像，通过操纵机器人的每个致动器来引导患者大脑中的针。如果达到了预期的目标，则可以将针移除并密封钻孔。但是，如果尚未达到所需的目标，则可以重新插入针并重复该过程。手术完成后，可以将患者转出手术室并监视手术后的效果。可以在术后阶段期间进行MRI扫描，医务人员可以确定是否需要任何其他治疗。
本文描述的方法和过程可以体现为代码和/或数据。本文描述的软件代码和数据可以存储在一个或多个机器可读介质(例如，计算机可读介质)上，该机器可读介质可以包括可以存储代码和/或数据以供计算机系统使用的任何设装置或介质。当计算机系统和/或处理器读取并执行存储在计算机可读介质上的代码和/或数据时，计算机系统和/或处理器执行体现为存储在计算机可读存储器中的数据结构和代码的方法和过程。
本领域技术人员应该理解，计算机可读介质包括可用于存储信息的可移动和不可移动结构/装置，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块以及计算系统/环境使用的其他数据。计算机可读介质包括但不限于诸如随机存取存储器(RAM、DRAM、SRAM)之类的易失性存储器；以及诸如闪存之类的非易失性存储器，各种只读存储器(ROM、PROM、EPROM、EEPROM)，磁和铁磁/铁电存储器(MRAM、FeRAM)，以及磁和光存储装置(硬盘、磁带、CD、DVD)；网络装置；或其他已知或以后开发的能够存储计算机可读信息/数据的介质。计算机可读介质不应被解释或理解为包括任何传播的信号。本发明的计算机可读介质可以是例如光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)、闪存装置、易失性存储器、或硬盘驱动器(HDD)，例如外部HDD或计算装置的HDD，但是实施例不限于此。计算装置可以是例如膝上型计算机、台式计算机、服务器、手机或平板电脑，但是实施例不限于此。
本发明包括但不限于以下示例性实施例。
实施例1.用于磁共振成像引导干预的手术机器人，包括：
操纵器，包括基于腱绳的上致动器和基于腱绳的下致动器；
安装基部，连接到下致动器；
针引导部；以及
设置在针引导部内的针；
其中每个致动器包括：
外壳，具有多个开口以允许腱绳穿过，
两个旋转接头，连接到外壳，
两个上臂，分别连接到两个旋转接头，
两个前臂，分别通过被动接头在每个前臂的近端处连接到两个上臂，被动球形接头，在每个前臂的远端处连接两个前臂，其中针引导部设置在上致动器和下致动器的球形接头内，并且其中安装基部具有用于骨安装的多个螺钉孔。
实施例2.如实施例1所述的手术机器人，还包括设置在针上的针止动部和/或线性致动器。
实施例3.如实施例1-2中任一项所述的手术机器人，还包括设置在针引导部上的一个或多个基于MR的追踪器。
实施例4.如实施例1-3中任一项所述的手术机器人，其中机器人包括多个操纵器。
实施例5.如实施例1-3中任一项所述的手术机器人，还包括：
插入上致动器的外壳中的两个腱绳；
插入下致动器的外壳中的两个腱绳；以及
两个或更多个线轴，分别连接到每个腱绳，
其中每个腱绳分别连接到每个外壳的每个旋转接头。
实施例6.如实施例5所述的手术机器人，其中每个腱绳分别穿过护套。
实施例7.如实施例6所述的手术机器人，还包括：
第一套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中第一套件的每个小齿轮分别联接到每个线轴；以及
多个液压管，每个管分别在第一端处连接到每个齿条齿轮，且填充有流体，
其中流体和第一套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
实施例8.如实施例7所述的手术机器人，还包括：
第二套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中第二套件的每个小齿轮联接到马达，
其中第二套件的每个齿条分别连接到每个液压管的相对端，并且
其中流体和第二套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
实施例9.如实施例1-8中任一项所述的手术机器人，其中手术机器人安装在颅骨上。
实施例10.如实施例1-9中任一项所述的手术机器人，其中针是刚性的直的手术仪器，例如DBS针。
实施例11.用于磁共振成像引导干预的手术机器人，包括：
两个操纵器，每个操纵器包括基于腱绳的上致动器和基于腱绳的下致动器；
每个下致动器连接到安装基部；
两个针引导部；以及
两个针，每个针设置在相应的针引导部内，
其中每个致动器包括：
外壳，具有多个开口以允许腱绳穿过，
两个旋转接头，连接到外壳，
两个上臂，分别连接到两个旋转接头，
两个前臂，分别通过被动接头在每个前臂的近端处连接到两个上臂，以及
被动球形接头，在每个前臂的远端处连接两个前臂，
其中针引导部中的一个分别设置在每个操纵器的上致动器和下致动器二者的球形接头内，并且
其中安装基部具有用于骨安装的多个螺钉孔。
实施例12.如实施例11所述的手术机器人，还包括两个针止动部和/或两个线性致动器，每个针止动部/线性致动器设置在相应的针上。
实施例13.如实施例11-12中任一项所述的手术机器人，还包括两个或更多个基于MR的追踪器，每个基于MR的追踪器设置在相应的针引导部上。
实施例14.如实施例11-13中任一项所述的手术机器人，还包括：
插入每个上致动器的外壳中的两个腱绳；
插入每个下致动器的外壳中的两个腱绳；以及
两个或更多个线轴，分别连接到每个腱绳，
其中每个腱绳分别连接到每个外壳的每个旋转接头。
实施例15.如实施例14所述的手术机器人，其中每个腱绳分别穿过护套。
实施例16.如实施例11-15中任一项所述的手术机器人，还包括：
第一套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中第一套件的每个小齿轮分别联接到每个线轴；以及
多个液压管，每个管分别在第一端处连接到每个齿条齿轮，且填充有流体，
其中流体和第一套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
实施例17.如实施例11-16中任一项所述的手术机器人，还包括：
第二套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中第二套件的每个齿条分别连接到每个液压管的相对端，并且
其中流体和第二套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
实施例18.如实施例11-17中任一项所述的手术机器人，其中手术机器人安装在颅骨上。
实施例19.如实施例11-18中任一项所述的手术机器人，其中针是直的刚性的手术仪器，例如DBS针。
通过以举例说明的方式给出的以下示例，可以更好地理解本发明及其许多优点。以下示例说明了本发明的一些方法、应用、实施例和变体。当然，它们不应被认为是对本发明的限制。可以相对于本发明进行许多改变和修改。
示例1-传动刚度
对1自由度的致动进行了迭代测试。固定操纵器的上臂，以限制致动的接头的旋转。十个填充有蒸馏水的计量管用于连接主从液压单元。主单元由提供500个编码脉冲反馈的直流马达致动。直流马达也以14：1的比例减速，产生0.052°的旋转分辨率。使用灵敏度为5m/Nm的扭矩传感器测量外部负载。测试是在双向负载下进行的。为了研究不同流体压力水平下传动刚度的变化，管道中的传动液被分别预加载为0.5、1.0、1.5和2.0巴(bar)。逐渐增加外部负载，同时记录相应的活塞位移。
如图13所示，力位移图示出了随着预加载流体压力的增加，传动刚度的增加趋势。这可以归因于负载增加时液压管的增强的特氟龙材料刚度。使用最小二乘回归对数据进行线性拟合，这表明在2巴的预加载压力下，最大刚度系数可以达到24.35N/mm。
示例2-针瞄准精确度
EM位置追踪系统用于测量实验设置中定义的任何点的3D坐标。模拟十个点作为STN目标，在塑料板上每侧五个。这些点在下层操纵器下方约100毫米处。这是颅骨下方的立体定向目标的典型深度。这些测量的目标坐标已与机器人坐标系配准。两个EM追踪线圈附接到一个机器人前臂，每层一个。在此瞄准任务中使用了直径与DBS套管相似的体模针。准确的针尖位置和取向是由固定在针的尖端处的两个5个自由度线圈计算得出的。
测量并计算了机器人和针引导部的配置以及针的插入深度。瞄准目标点后，手动插入针。测量从针尖端到目标的近端距离和从目标到针轴线的距离。对于每侧五个目标的针插入重复进行试验。瞄准精确度通过平均误差及其标准差进行量化，如表1所示。
表1针瞄准精确度测试
Figure BDA0002605306920000131
示例3-基于MR的追踪测试
将机器人安装在颅骨模型上并放置在头部线圈中并进行扫描。为了在MR图像中显示脑模体，用琼脂凝胶制作了“大脑”，以增强图像对比度来进行针瞄准。首先使用了两个薄的追踪线圈膜并将其嵌入在针引导部中。3D扰相梯度回波(SPGR)序列用于评估针引导部的位置和取向。序列参数列于表2。
表2MRI扫描参数
没有针插入 有针插入 SNR测试
FOV(mm) 240×240 240×240 280×280
矩阵 256×256 256×256 256×256
获得方式 FSPGR FSPGR T2-FSE
TR(ms) 68.0 68.0 2000.0
TE(ms) 2.8 2.8 76.8
翻转角(°) 10 10 90
然后插入由碳纤维制成的体模针，并以相同的成像序列进行扫描。图8b示出了两个线圈的信号强度为1133.00和1341.00，与之相比的是包含59个像素的两个圆形区域，其分别是背景和琼脂凝胶大脑上的样本，平均信号强度为116.26和232.05。图8c以冠状视图示出了所得的MR图像。
示例4-MRI-兼容性测试
在1.5T MRI扫描仪中进行MRI兼容性测试(例如，参见图9)。在扫描仪的等深点处放置方形的SNR体模。使用T2加权快速旋转回波(FSE)序列获取不存在机器人的情况下的控制图像。引入机器人后，在三种不同的机器人操作条件下获得MR图像(例如，参见图10和图11)。操作条件为i)静态：机器人被引入并保持断电，ii)通电：机器人保持静止，但液压和电力接通，以及iii)操作：机器人处于完全操作。SNR比率计算如下：
Figure BDA0002605306920000141
其中Pcenter是图像中心处的像素区域的平均值，SDcenter是右下角处的像素区域的标准差。即使机器人全速运动，SNR损失也在3％以内，并且不会产生可观察到的图像伪影。
应当理解，本文描述的示例和实施例仅用于说明目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被建议给本领域技术人员，并且将被包括在本申请的精神和范围内。
在不与本说明书的明确教导相抵触的范围内，本文引用或涉及的所有专利、专利申请、临时申请和出版物(包括“参考文献”部分中的内容)均通过引用整体并入本文，包括所有附图和表格。

Claims (19)

1.用于磁共振成像引导干预的手术机器人，包括：
操纵器，包括基于腱绳的上致动器和基于腱绳的下致动器；
安装基部，连接到所述下致动器；
针引导部；以及
设置在所述针引导部内的针；
其中每个致动器包括：
外壳，具有多个开口以允许腱绳穿过，
两个旋转接头，连接到所述外壳，所述旋转接头由所述腱绳致动，
两个上臂，分别连接到所述两个旋转接头，
两个前臂，分别通过被动接头在每个前臂的近端处连接到所述两个上臂，
被动球形接头，在每个前臂的远端处连接所述两个前臂，
其中所述针引导部设置在所述上致动器和所述下致动器的球形接头内，并且
其中所述安装基部具有用于骨安装的多个螺钉孔。
2.如权利要求1所述的手术机器人，还包括设置在所述针上的针止动部和/或线性致动器。
3.如权利要求1或2所述的手术机器人，还包括设置在所述针引导部上的一个或多个基于MR的追踪器。
4.如权利要求1所述的手术机器人，其中所述机器人包括多个操纵器。
5.如权利要求1所述的手术机器人，还包括：
插入所述上致动器的外壳中的两个腱绳；
插入所述下致动器的外壳中的两个腱绳；以及
两个或更多个线轴，分别连接到每个腱绳，
其中每个腱绳分别连接到每个外壳的每个旋转接头。
6.如权利要求5所述的手术机器人，其中每个腱绳分别穿过护套。
7.如权利要求6所述的手术机器人，还包括：
第一套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中所述第一套件的每个小齿轮分别联接到每个线轴；以及
多个液压管，每个管分别在第一端处连接到每个齿条齿轮，且填充有流体，
其中所述流体和所述第一套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
8.如权利要求7所述的手术机器人，还包括：
第二套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中所述第二套件的每个小齿轮联接到马达，
其中所述第二套件的每个齿条分别连接到每个液压管的与第一端相对的第二端，并且
其中所述流体和所述第二套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
9.如权利要求1所述的手术机器人，其中所述手术机器人安装在颅骨上。
10.如权利要求1所述的手术机器人，其中所述针是刚性的直的手术仪器。
11.用于磁共振成像引导干预的手术机器人，包括：
两个操纵器，每个操纵器包括基于腱绳的上致动器和基于腱绳的下致动器；
每个下致动器连接到安装基部；
两个针引导部；以及
两个针，每个针设置在相应的针引导部内，
其中每个致动器包括：
外壳，具有多个开口以允许腱绳穿过，
两个旋转接头，连接到所述外壳，所述旋转接头由所述腱绳致动，
两个上臂，分别连接到所述两个旋转接头，
两个前臂，分别通过被动接头在每个前臂的近端处连接到所述两个上臂，以及
被动球形接头，在每个前臂的远端处连接所述两个前臂，
其中所述针引导部中的一个分别设置在每个操纵器的上致动器和下致动器二者的球形接头内，并且
其中所述安装基部具有用于骨安装的多个螺钉孔。
12.如权利要求11所述的手术机器人，还包括两个针止动部和/或两个线性致动器，每个针止动部/线性致动器设置在相应的针上。
13.如权利要求11或12所述的手术机器人，还包括两个或更多个基于MR的追踪器，每个基于MR的追踪器设置在相应的针引导部上。
14.如权利要求11所述的手术机器人，还包括：
插入每个上致动器的外壳中的两个腱绳；
插入每个下致动器的外壳中的两个腱绳；以及
两个或更多个线轴，分别连接到每个腱绳，
其中每个腱绳分别连接到每个外壳的每个旋转接头。
15.如权利要求14所述的手术机器人，其中每个腱绳分别穿过护套。
16.如权利要求11所述的手术机器人，还包括：
第一套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中所述第一套件的每个小齿轮分别联接到每个线轴；以及
多个液压管，每个管分别在第一端处连接到每个齿条齿轮，且填充有流体，
其中所述流体和所述第一套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
17.如权利要求11所述的手术机器人，还包括：
第二套件，包括多个小齿轮和齿条齿轮，
其中所述第二套件的每个齿条分别连接到每个液压管的与第一端相对的第二端，并且
其中流体和所述第二套件的每个齿条齿轮由滚动膜片隔开。
18.如权利要求11所述的手术机器人，其中所述手术机器人安装在颅骨上。
19.如权利要求11所述的手术机器人，其中所述针是刚性的直的手术仪器。
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