CN111888010A - 一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及控制方法，涉及医疗机器人领域。主要包括圆形套环、X轴直线模组、Z轴直线模组、Y轴直线模组、驱动电机、固定支架。所述X轴直线模组、Z轴直线模组、Y轴直线模组可以满足医疗机器人定位精度高和工作范围大的要求，并且可以实现圆形套环沿任意方向的往复运动。所述圆形套环实现乳腺组织的固定。所述直线模组的驱动力由驱动电机提供，方便圆形套环调整位置以及保持当前位置。本发明设计了一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及其控制方法用于辅助医生进行乳腺穿刺活检手术，在手术过程中，固定乳腺组织同时引导肿瘤主动移向穿刺针路径，降低穿刺误差，提高手术效率。
Description
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，具体涉及一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及其控制方法。
背景技术
在临床医疗手术工作中，乳腺穿刺活检是检查乳腺肿瘤良恶性较为有效的组织学方法，但医生纯手工穿刺依然存在许多缺陷，在乳腺穿刺手术过程中，因为软组织与穿刺针存在复杂的交互形变机理，肿瘤靶点的位置会发生漂移，要想准确穿刺到肿瘤靶点，医生需要在穿刺过程中不断变换穿刺路径，甚至需要多次回撤针操作，这不仅增加了手术时间和病人的痛苦，对病人组织也产生一定的损伤。所以减少穿刺误差，提高穿刺的精确度是该领域的一项重要研究内容。
乳腺穿刺不同于胸腔、前列腺、肺部穿刺，乳房是位于人体外部的器官，同时乳腺组织的成分绝大部分是脂肪，具有较大的流动性，在穿刺过程中更容易变形，这对穿刺是不利的，所以需要一定的装置对其进行固定，减少其变形。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及其控制方法来进行问题的解决。该机器人主要包括圆形套环、卡环橡胶圈、连接杆、第一方形套筒、X轴直线模组、Z轴直线模组、Y轴直线模组、肋板、固定支架。所述Y轴直线模组与固定支架连接，以固定整体装置，所述Y轴直线模组的第三驱动电机驱动其滑块沿Y轴方向做往复运动，进而通过X轴直线模组、Z轴直线模组、连接杆驱动圆形套环在Y轴方向上做往复运动。
进一步的，Z轴直线模组的第二驱动电机驱动其滑块沿竖直方向做往复运动，进而通过X轴直线模组、连接杆驱动圆形套环在竖直方向上做往复运动。
进一步的，X轴直线模组的第一驱动电机驱动其滑块沿X轴方向做往复运动，进而通过连接杆驱动圆形套环在X轴方向上做往复运动。
进一步的，所述圆形套环通过第一方形套筒与连接杆固定连接。
进一步的，卡环橡胶圈安装在圆形套环上。
进一步的，连接杆通过第二方形套筒与X轴直线模组的滑块固定连接，X轴直线模组与Z轴直线模组的滑块固定连接，Z轴直线模组与Y轴直线模组的滑块固定连接。
进一步的，肋板与Z轴直线模组为固定连接，固定支架安装在Y轴直线模组上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：在进行穿刺误差补偿时，以往的研究均是控制穿刺针尖移向肿瘤靶点，本装置结合乳腺组织的特点采用逆向思维，保证穿刺针路径不变，控制肿瘤靶点主动移向穿刺路径来减少穿刺误差，同时本装置还可以固定乳腺组织，减少形变。本装置结构简单，稳定性高，采用三轴直线模组进行定位，定位精度高、工作范围大，提高了乳腺穿刺手术过程的精准度，避免了寻找肿瘤靶点的过程给病人带来的痛苦，提高手术效率和成功率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其他特征、优点和目的变得更加清晰，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定，在附图中。
图1是本发明的轴测图。
图2是末端圆形套环的放大图。
图3是肿瘤主动移位的控制原理示意图。
图4是超声探头夹持装置的自由度分配图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请涉及一种基于超声引导的乳腺组织固定装置及其控制方法，该装置主要包括圆形套环12、连接杆10、第一方形套筒11、第二方形套筒8、X轴直线模组7、Z轴直线模组5、Y轴直线模组3、肋板4、固定支架1，所述Y轴直线模组3与固定支架1连接，以固定整体装置，所述圆形套环12通过第一方形套筒11与连接杆10固定连接，连接杆10通过第二方形套筒8与X轴直线模组7的滑块固定连接，X轴直线模组7与Z轴直线模组5的滑块固定连接，Z轴直线模组5与Y轴直线模组3的滑块固定连接，肋板4与Z轴直线模组5固定连接，固定支架1安装在Y轴直线模组3上。
如图2所示，卡环橡胶圈13安装在圆形套环12上，在移动的过程中保护乳腺组织不受损伤，在本发明实施例中卡环橡胶圈13和圆形套环12，具体型号技术人员可根据实际需要选定，也可以是自行设计的模块，在本发明实施例中做简化处理。
具体的对该装置的运动过程进行描述，X轴直线模组7、Z轴直线模组5与Y轴直线模组3组成三坐标轴移动装置，所述Y轴直线模组3的第三驱动电机2驱动其滑块沿Y轴方向做往复运动，进而通过X轴直线模组7、Z轴直线模组5、连接杆10驱动圆形套环12在Y轴方向上做往复运动，Z轴直线模组5的第二驱动电机6驱动其滑块沿竖直方向做往复运动，进而通过X轴直线模组7、连接杆10驱动圆形套环12在竖直方向上做往复运动，X轴直线模组7的第一驱动电机9驱动其滑块沿X轴方向做往复运动，进而通过连接杆10驱动圆形套环12在X轴方向上做往复运动，上述过程即可实现圆形套环12带动肿瘤沿任意方向的调整，在实际手术操作中，首先将圆形套环12套在乳房上，使用反馈控制算法结合实时超声图像即可在活检穿刺过程中控制目标肿瘤靶点移动到穿刺路径下。
接下来对该装置肿瘤移位的控制方法进行描述，如图3所示，采用PID反馈控制器进行驱动电机的控制，采用双闭环的控制方法，外环采用P控制器控制位置，内环采用PI控制器控制速度，内环对外环是一种阻尼的效果。PID控制器的优势在于，在不知乳房几何特性和机械特性的情况下，其依然可以有效控制肿瘤移动到期望位置。首先由医生根据穿刺针的方向和肿瘤所在的截面位置，通过计算机获得肿瘤的期望位置坐标，在理想情况下，穿刺针方向指向肿瘤，此时期望位置数值r(t)为0。期望位置数值r(t)与实际位置数值c(t)做差，便可以得到控制偏差e(t)，控制偏差e(t)即为P控制器的输入值，经过比例环节的运算，将控制输出量u(t)作为内环控制器的期望速度输入值，与驱动电机反馈回来的实际速度值v(t)做差后输出给PI控制器，经过PI控制器的运算后输出给直线模组的驱动电机。穿刺针的刺入会导致肿瘤发生漂移，将穿刺力y(t)视为对整个系统的干扰，电动推杆的作用力x(t)和穿刺针的穿刺力y(t)共同作用于乳房组织中肿瘤的移动。通过超声影像设备实时获得肿瘤的实际位置数据c(t)，采用双闭环控制方法即保证了系统的响应速度又增加系统的抗干扰能力。
本装置是在超声引导下搭配机器人或医生手工穿刺使用，为保证超声图像的稳定清晰，应采用超声探头的夹持装置，整个系统的实现需要机器人-固定装置-超声探头三者的协调控制，故在本发明的实施例中，只对超声探头夹持装置应具有的自由度进行描述，如图4所示，圆形套环12的移动会导致组织形变，使组织脱离探头，所以需要探头有一个沿X方向的移动自由度1；因为肿瘤所在的平面位置会发生变化，所以需要探头有一个沿Z方向的升降自由度2；探头自身应具有沿X-Y两个方向的旋转运动3和4来保证探头成像平面与针平行；故探头夹持装置至少应具有4个自由度来保证成像的实时性。本装置的设计仅满足于实现本装置的功能，在与机器人搭配使用时，技术人员应保证本装置和穿刺机器人不发生运动干涉。
本装置在固定乳腺组织的同时可以带动肿瘤移位，所以在穿刺过程中，为了避免穿刺针的变形，应使用直径较大的16G或14G粗针活检，即刚性针穿刺，相对细针活检，粗针活检也是更为有效的活检穿刺方法。
Claims (5)
1.一种基于超声引导的乳腺组织固定装置，其特征在于，主要包括：圆形套环（12）、卡环橡胶圈（13）、连接杆（10）、第一方形套筒（11）、X轴直线模组（7）、Z轴直线模组（5）、Y轴直线模组（3）、肋板（4）、固定支架（1），所述圆形套环（12）通过第一方形套筒（11）与连接杆（10）固定连接。
2.如权利要求1所述一种基于超声引导的乳腺组织固定装置，其特征：卡环橡胶圈（13）安装在圆形套环（12）上。
3.如权利要求1所述一种基于超声引导的乳腺组织固定装置，其特征：连接杆（10）通过第二方形套筒（8）与X轴直线模组（7）的滑块固定连接，X轴直线模组（7）与Z轴直线模组（5）的滑块固定连接，Z轴直线模组（5）与Y轴直线模组（3）的滑块固定连接，组成三坐标移动装置。
4.如权利要求1所述一种基于超声引导的乳腺组织固定装置，其特征：肋板（4）与Z轴直线模组（5）固定连接，固定支架（1）安装在Y轴直线模组（3）上。
5.一种基于超声引导的乳腺组织固定装置的控制方法，其特征：通过控制X轴直线模组（7）和Y轴直线模组（3），使圆形套环（12）带动肿瘤在平面内主动移向穿刺路径，提高穿刺精度；X轴直线模组（7）和Y轴直线模组（3）的移动采用双闭环反馈控制算法，外环为位置环，采用P控制器；内环为速度环，采用PI控制器；位置使用超声图像进行实时反馈，速度使用编码器进行反馈。
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