CN112754618A - 一种mri兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统包括真空抽吸活检仪和六自由度定位机器人系统；所述的真空抽吸活检仪包括穿刺活检针和动力系统主机；所述的六自由度机器人系统包括机体结构和驱动系统；所述的动力系统主机包括主机本体；所述的机体结构包括定位结构、定向结构和穿刺结构；所述的定位结构设有三个自由度，所述的定向结构设有两个自由度，所述的穿刺结构设有一个自由度。其优点表现在：全自动化乳腺穿刺定位机器人均具有完全MRI兼容性，且在乳腺真空抽吸旋切活检系统助力下可实现乳腺病灶取材的实时MRI图像导航以及“一次进针、多次取样”的自动化设定。

Description

一种MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗机器人技术领域，具体地说，是一种MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统。

背景技术

趋势判断和需求分析

国内外现状、水平和发展趋势(含知识产权状况和技术标准状况)；经济建设和社会发展需求；科学技术价值、特色和创新点。

(一)乳腺癌是严重影响我国妇女身心健康的常见恶性肿瘤。

乳腺癌是妇女最常见的恶性肿瘤之一，其发病率高居欧美女性患者肿瘤发病率第一位，占总发病率的30.9％。在我国，随着工业化进程的快速提高，人民生活条件的日益改善，饮食结构的变化，工作压力增加以及生育年龄的推后，乳腺癌的发病率也在显著增加。据统计，上海市的乳腺癌发病人数，已由80年代的十万分之13，快速增长到2009年的十万分之85。乳腺癌已成为严重危害到我国妇女健康的疾病之一。

随着治疗手段的进步，一期乳腺癌的治疗成功率很高，5年生存率可达95％以上，治疗费用可也控制在1万元左右，其中有70％以上的病人会要求在手术时提出保乳要求。而四期乳腺癌的五年生存率仅为16％，且治疗费用也会超过10万元。因此对乳腺癌的早期发现，早期诊断以及早期干预治疗，不仅可以显著提高妇女的生活质量，同时也会降低病人看病费用，减轻经济负担。

(二)磁共振成像(MRI)及其引导下活检是发现早期乳腺癌的必要手段。

磁共振是一种常用的影像学检查手段。其有别于其它成像技术，它使用人体内的水分子作为信号来源，不会对人体造成任何损害。同时，它也是所有影像学手段中软组织对比度最好的一种。随着磁共振硬件的逐步发展，磁共振的乳腺检查也是近几年发展迅速的检查技术。2000年之后，已有多篇高质量的外国文献在讨论使用磁共振作为乳腺癌高危人群的筛查手段[1,2,3,4,5,6]。综合这些文章的结果，对在3262例高危人群的筛查中，磁共振对恶性肿瘤的敏感性高达80％(99/123)，远高于X线的37％(46/123)以及超声的23％(4/17)。其中有53％的病灶(65/123)是只有磁共振才发现的。这些结果证实了磁共振对乳腺疾病的高敏感性。

乳腺癌的手术，尤其是根治性手术对病人的生理和心理都是一个沉重的打击，所以术前明确诊断是乳腺癌治疗的一个重要原则。乳腺癌的诊断方法很多，包括体检、乳腺X线、B超、磁共振、乳腺导管内窥镜等等，但最终确诊仍然要依靠病理学诊断。活组织检查(简称活检)是获得术前病理诊断最常用的手段，它包括穿刺针活检和手术活检两种方法。与手术活检相比，穿刺针活检对正常组织的破坏少，无疤痕，病人只需要局部麻醉，且费用也相对低廉。最重要的是穿刺活检可以使乳腺良性病变的患者(目前占手术病人的大多数)免去了不必要的手术。

目前国内传统使用乳腺X线或B超作为影像学手段引导穿刺活检。这两种手段各有特点。B超引导的乳腺穿刺，是时间最短，且经济的活检方案。其劣势则在于空间分辨率不足，无法判断实际恶性病灶的位置。因此对较小病变，良恶混合性病灶或已发生液化坏死的较大病灶均缺乏准确性。X线引导的活检穿刺，优势在于其可以准确定位病变钙化位置，空间分辨率高，但除了会对病人造成一定的辐射损伤外，其劣势在于对致密腺体内的病变、靠近胸壁的病变以及没有钙化的病变不敏感。而且还有一部分乳腺病灶，在常规X线以及超声条件下并不能完全显示，而只有在MRI的条件下才能显示，例如早期癌。

利用磁共振的三维成像能力，以及其不同序列(脂肪抑制T2权重成像，弥散加权成像，动态增强，波谱等)，产生的丰富的软组织对比度，磁共振可以比其它影像学手段更准确的定位乳腺病变中活性最高，病变细胞密度最大的位置，从而提高乳腺活检的成功率及准确性。1994年，第一篇利用磁共振引导的乳腺活检发表在Radiology杂志，从此之后，随着磁共振设备以及活检设备的不断进步，越来越多的文章在探讨此方案的可行性。1998年，得到欧盟委员会支持的磁共振引导乳腺活检临床评估开始，截止2005年共有538例病人接受了磁共振引导的穿刺活检，并有491例病人接受了24-48个月的随访观察。无一例假阴性结果以及96％的活检成功率，证实了基于磁共振引导活检的价值及方案成熟度。

核心针活检(Core Needle Biopsy，CNB)方案相对简便，对病人创伤小，价格便宜，但与手术病理一致率低于真空辅助活检(VacuumAssisted Biopsy，VAB)方案，VAB方案取样量大，活检病理与手术病理一致率高，因此是首选的活检方式。但目前VAB活检系统全部来自国外进口，价格昂贵，设计制造物美价廉的MRI兼容性真空辅助活检旋切系统具有重大的经济及社会意义。而目前国外流行的BARD，Mammatone等VAB活检器材尚未完全解决MRI兼容性问题，包括穿刺针、便携式手柄或真空抽吸机。

(三)MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人是医学发展的要求和方向。

常用的医学图像导航有计算机断层扫描成像(CT)、超声波成像(US)和核磁共振成像(MRI)，这三种成像手段也各有优劣。前两种成像方法在许多临床手术中得到应用，但是它们不能精确地识别肿瘤的边界和检测出肿瘤组织的坏死，而MRI可以精确地识别出肿瘤的大小、位置以及扩散范围，与传统医学成像相比，MRI更适合于术中实时导航，尤其是针对软组织，MRI在准确性和清晰度上远远优于US和CT这两种成像手段。

MRI导航手术时，在图像系统中实时显示待手术软组织和手术器械的三维空间位置，手术医生借助图像信息进行相应的手术操作。这种手术相比传统手术的优势在于创伤小，准确性高，医生可以对患者身体内部结构进行手术。手术系统的构建涉及介入科学、影像学、图形图像、机械工程、控制工程等学科领域，因此成为目前国内外多学科研究机构的重点研究对象。传统的图像导向治疗，手术规划严重依赖术前的核磁共振图像，依据术前图像进行手术部位的确定。但是手术中病灶的实际位置会因为病人的呼吸和人体位姿的变化等而变化，导致与术前的规划不完全一样，这样会降低手术的准确度，最终导致手术失效和直接后遗症。实时获取手术过程中的图像是提高手术精确度的方法之一。同时，医疗手术机器人在手术中的准确性和可靠性大大超过了外科医生，因此采用基于实时MRI导航的微创手术机器人进行穿刺手术是进行前列腺癌、乳腺癌等疾病活检的理想方案。

目前，在国外MRI穿刺手术导航机器人研究已经成为了热点，而在国内这方面研究却很少。Nabil Zemiti、Ivan Bricault等人在2008年研制了一种用于腹部穿刺的5自由度轻型MRI手术机器人：LPR robot。2007年，DanStoianovici,DannySong等人研制了一款用于前列腺穿刺活检的新型气动机器人。2008年，北京航空航天大学洪在地、贠超等设计了一款用于神经外科手术的机器人，该机器人含三自由度Delta并联机构和两自由度串联机构，是国内为数不多的导航机器人之一。而MR引导的穿刺定位手术机器人的研究面临的关键问题就是兼容性问题，本文针对磁共振的兼容性问题，设计了一款具有六自由度的机构，采用气动方式驱动，操作者根据MR影像分析，可以清楚的确定穿刺路径，自动完成手术过程。核磁共振环境对工作于其中的执行机构及其控制方法提出要求，即该系统在核磁环境下工作必须是安全的和有效的。这里概括为核磁兼容性，主要包括：空间兼容，材料兼容，驱动方式兼容。空间兼容是指在核磁共振仪环境下工作的执行机构系统需要受核磁共振仪工作空间的限制。对于常用核磁仪器，基本工作空间为半径30～35cm，长167cm的圆柱形。对于盆腔，头部等特殊位置的手术，工作空间则更加狭小。并且，末端机械手必须呈现在核磁图像中，以便于确定人体器官与手术器械之间的空间位置关系。因此，对于执行机构的结构尺寸要求较其它手术环境下更为严格。材料兼容性是指由于核磁共振仪工作原理的要求，在核磁环境下不能有铁磁性物质的存在。该类物质会在很大程度上降低核磁图像的准确性，并且铁磁性部件在高场强下会失效。因此，传统的执行机构的设计和材料选用将不再适用于核磁环境下的执行机构的制造。驱动方式兼容性，一方面是指在核磁环境下驱动和传感部件由于材料的限制必须采用非铁磁性驱动元件。另一方面是指由于封闭式工作模式，手术医生必须在与核磁共振仪分离的不同区域对执行机构和核磁仪器进行操作控制。根据不同的末端执行装置的需要，目前国内外的核磁共振环境下的驱动方式主要分为以下几种:(1)机械式的驱动和传递，包括利用势能的驱动方式以及带传动驱动等。(2)气动传动。(3)液压传动。(4)压电传动、超声波传动、静电传动及利用有电活性和离子导电性的聚合物的驱动方式，例如超声波电机。(5)一些电磁驱动器，如屏蔽直流电机等。其中，对于小负载驱动多采用气动步进电机和超声波电机。该类电机区别常用伺服电机的特点是对核磁成像质量影响较低，并且在高场强下仍能正常工作，精度高。缺陷是驱动力较小，不能进行远距离和高负载驱动。适合远距离大负载驱动的首选气压或液压驱动。液压驱动由于其液体密封性缺陷，在医疗行业较少采用。气压驱动较洁净，并且通过管线的连接可以实现远距离控制。但是由于气体的可压缩性以及气动执行器的摩擦力等原因，气压驱动的精度问题一直是制约该方法应用的关键难题。

中国专利文献：CN201610902247.1，申请日2016.10.17，专利名称为：一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人。公开了一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，包括依次相连的定位模块、穿刺定向模块、进针模块；定位模块采用剪叉式升降机构安装在环形导轨滑块上，再将环形导轨安装在无杆气缸与直线导轨滑块上的形式，实现穿刺针在磁共振成像设备中沿轴向、径向与周向的移动定位；穿刺定向模块采用基于平行四杆的RCM机构固定在一根旋转轴上的形式实现调整定位穿刺针的穿刺角度；进针模块采用由气缸推动两个摩擦轮，再由两个摩擦轮带动穿刺针的形式实现对穿刺针进针与退针运动的自动控制。

中国专利文献：CN201910247988.4，申请日2019.03.29，专利名称为：一种用于磁共振成像仪内部的六自由度针刺机器人，包含笛卡尔模块、摆动模块和针刺模块；摆动模块固定在笛卡尔模块上，针刺模块固定在摆动模块上，其中，笛卡尔模块用于控制摆动模块在X方向、Y方向和Z方向上运动，X方向、Y方向、Z方向相互垂直；摆动模块用于控制针刺模块进行水平摆动；针刺模块用于控制穿刺针进行俯仰运动和进针运动。

上述专利文献CN201610902247.1中的一种磁共振兼容的气动穿刺手术机器人，定位模块采用剪叉式升降机构安装在环形导轨滑块上，穿刺定向模块采用基于平行四杆的RCM机构固定在一根旋转轴上的形式实现调整定位穿刺针的穿刺角度；再由两个摩擦轮带动穿刺针的形式实现对穿刺针进针与退针运动的自动控制；该发明结构简单、节省空间、安全可靠，能够在核磁共振仪的狭小空间和高场强磁场中工作，同时对磁共振成像干扰较小，有效提高了穿刺手术的准确性和稳定性；而专利文献CN201910247988.4中的一种用于磁共振成像仪内部的六自由度针刺机器人，则采用多种形式无磁超声电机驱动，能够实现所需位置和姿态的前列腺穿刺，同时基于超声电机断电自锁的特性，无需附加额外锁定装置来保持位置；且系统的整体结构更加简单紧凑、易于小型化。但是关于一种将六自由度乳腺穿刺定位机器人和与之配套的新型自动真空抽吸旋切系统二者相互整合，进一步研制成功基于实时核磁图像导航的、可远程控制实现“一次进针、多次取样”的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统目前则没有相关的报道。

综上所述，亟需一种将六自由度乳腺穿刺定位机器人和与之配套的新型自动真空抽吸旋切系统二者相互整合，进一步研制成功基于实时核磁图像导航的、可远程控制实现“一次进针、多次取样”的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种将六自由度乳腺穿刺定位机器人和与之配套的新型自动真空抽吸旋切系统二者相互整合，进一步研制成功基于实时核磁图像导航的、可远程控制实现“一次进针、多次取样”的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统包括真空抽吸活检仪和六自由度定位机器人系统。

作为一种优选的技术方案，所述的真空抽吸活检仪包括穿刺活检针和动力系统主机。

作为一种优选的技术方案，所述的活检穿刺针前方靠近针尖处设有凹槽；所述的凹槽后壁并排设有多枚真空吸引孔；所述的凹槽上方，穿刺活检针内部设有针管切割刀；所述的穿刺活检针后段设有组织收集仓。

作为一种优选的技术方案，所述的动力系统主机包括主机本体；所述的主机本体上表面依次设有方向控制按键、旋切控制按键和真空抽吸按键；所述的主机本体上表面还设有显示器；所述的主机本体前侧设有控制连接导线和真空抽吸泵系统连接导线。

作为一种优选的技术方案，所述的活检穿刺针为中空圆柱形结构，长20cm，外径3mm，针尖锋利呈锥形；所述的凹槽11长0.2-2.0cm，宽1.5-2.5mm；所述的真空吸引孔有3枚；所述的针管切割刀为中空圆柱形结构；所述的活检穿刺针及针管切割刀均采用合金材料制作；所述的穿刺活检针尖端、取样凹槽表面以及针管切割刀表面均还增设聚四氟乙烯和纳米止血药物、抗肿瘤药物复合涂层。

作为一种优选的技术方案，所述的六自由度机器人系统包括机体结构和驱动系统。

作为一种优选的技术方案，所述的机体结构包括定位结构、定向结构和穿刺结构。

作为一种优选的技术方案，所述的定位结构设有三个自由度，所述的定向结构设有两个自由度，所述的穿刺结构设有一个自由度。

作为一种优选的技术方案，所述的驱动系统采用定制铝合金气缸驱动机构运动，以PLC为控制单元对运动过程进行控制。

本发明优点在于：

1、全自动化乳腺穿刺定位机器人均具有完全MRI兼容性，且在乳腺真空抽吸旋切活检系统助力下可实现乳腺病灶取材的实时MRI图像导航以及“一次进针、多次取样”的自动化设定。

附图说明

附图1是本发明穿刺活检针的立体结构示意图。

附图2是本发明活检穿刺针穿刺取材的步骤示意图。

附图3是本发明动力系统主机的立体结构示意图。

附图4是本发明六自由度机器人气动装置系统结构示意图。

附图5是本发明工作气缸的PLC控制时序图。

附图6是本发明MRI兼容性全自动活检机器人工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.穿刺活检针 11.凹槽

12.真空吸引孔 13.针管切割刀

14.组织收集仓 15.夹持装置

16.塑料管 2.动力系统主机

21.方向控制按键 22.旋切控制按键

23.真空抽吸按键 24.显示器

25.控制连接导线 26.真空抽吸泵系统连接导线

实施例1

本发明的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统包括真空抽吸活检仪和六自由度定位机器人系统；所述的真空抽吸活检仪包括穿刺活检针1和动力系统主机2(真空抽吸泵及控制系统)；

请参看附图1、2，图1是本发明穿刺活检针的立体结构示意图，图2是本发明活检穿刺针穿刺取材的步骤示意图。所述的活检穿刺针1为中空圆柱形结构，长20cm，外径3mm，针尖锋利呈锥形；所述的穿刺活检针1前方靠近针尖处设有凹槽11，所述凹槽11长0.2-2.0cm，宽1.5-2.5mm；所述的凹槽11后壁并排设有3枚真空吸引孔12；所述的凹槽11上方，穿刺活检针1内部设有中空圆柱形结构的针管切割刀13；所述的穿刺活检针1后段设有组织收集仓14；所述的组织收集仓14上方设有夹持装置15；所述的穿刺活检针1尾端连接有塑料管16；

请参看附图3，图3是本发明动力系统主机的立体结构示意图。所述的动力系统主机2包括主机本体；所述的主机本体上表面依次设有方向控制按键21、旋切控制按键22和真空抽吸按键23；所述的主机本体2上表面还设有显示器24；所述的主机本体前侧设有控制连接导线25和真空抽吸泵系统连接导线26；所述的主机本体2底部四周设有滚轮；

需要说明的是：所述的穿刺活检针1针尖锋利呈锥形的设计，便于穿刺；所述的凹槽11后壁并排设有的3枚真空吸孔12，用于吸引后方的病变组织；所述的中空圆柱形结构的针管切割刀13，其顶端锋利的切割缘可旋转割取被吸入凹槽11内的病灶组织；所述的组织收集仓14为盖式连接装置设计，当切割的病变组织在真空抽吸的作用下到达此处，会在取样挡板的协助下落入该仓，而采用盖式的设计，方便组织的取出；所述的活检穿刺针1尾端连接的塑料管17用于同真空吸引管衔接；所述的基于MRI兼容性的考虑，活检穿刺针1及针管切割刀13均采用合金材料制作，坚固耐用，管壁超滑、轻便，且更重的是所引起的MRI伪影小，进而有利于实时观察或活检穿刺针的位置；所述的为了实现穿刺后快速止血以及降低针道肿瘤种植转移的目标，穿刺活检针1尖端、取样凹槽11表面以及针管切割刀13表面增设聚四氟乙烯和纳米止血药物、抗肿瘤药物复合涂层，即是将穿刺活检针1置于载体聚合物和药物的混合溶液中，药物通过聚合物载体和穿刺活检针筒间的结合力吸附于穿刺活检针表面，其成分为纳米级高分子载体与凝血酶、氟尿嘧啶以一定方式结合而成，直径为100～300nm；

所述的真空抽吸按键23包括侧向抽吸按键和轴向抽吸按键(图中未示出)，侧向真空抽吸便于将病变组织吸入取样凹槽11，轴向抽吸便于将病变组织吸入组织收集仓14；其动力由外驱动马达提供，并由数字化电子计算机系统进行测量；在实际的操作中，明确病变的确切位置后，并通过手术机器人定位好穿刺针，启动真空抽吸系统，在侧向真空抽吸的作用下，病变组织被吸入穿刺针取样凹槽11内，启动控制系统，按下向前方向控制按键21和旋切控制按钮22，使取样针管切割刀13向前旋转切割吸入取样凹槽11的病变组织，切割完毕后自动停止，切割下的组织条被暂时储存在针管切割刀13内部。在针管切割刀13轴向真空吸引及控制系统的作用下后退针管切割刀13，在穿刺针尾端取样挡板的协助下切割下的病变组织落入组织收集仓14，取出组织进行固定、染色等处理；整个过程，穿刺活检针位置基本固定于取样针道，不用反复拔插穿刺针，因此可快速反复多次取样；取样结束后，针管切割刀13回复原位置状态，拔出穿刺活检针1即可完成整个取样操作。

本发明真空抽吸活检仪的操作步骤如下：

穿刺针定位到病变组织后方，启动真空抽吸系统，在侧向真空抽吸的作用下，病变组织被吸入取样凹槽11，启动控制系统，按下方向控制按键21和旋切控制按钮22，使取样针管向前旋转切割吸入取样凹槽11的病变组织，切割完毕后自动停止，切割下的组织条被暂时储存在针管切割刀13内部；在针管切割刀13轴向真空吸引及控制系统的作用下后退针管切割刀13，在穿刺针尾端取样挡板的协助下切割下的病变组织落入组织收集仓14，取出组织进行固定、染色等处理；整个过程，穿刺活检针位置基本固定于取样针道，不用反复拔插穿刺针，因此可快速反复多次取样；定位好穿刺针后取样过程包括侧向真空抽吸、针管切割刀13向前旋切、后退针管切割刀13并轴向真空抽吸、收集病变组织；该系统为简化操作步骤，减小创伤性，拟编程计算机软件设计成微电脑控制，并初步设想将其微电脑的控制功能整合到自由度机器人的微电脑控制系统上，以达到优化实验装置的目的。

请参看附图4、5，图4是本发明六自由度机器人气动装置系统结构示意图，图5是本发明工作气缸的PLC控制时序图。本发明的六自由度机器人系统包括机体结构和驱动系统；

所述机体结构的设计：本发明的六自由度穿刺手术机器人用于核磁共振环境下的手术导航，机器人的设计采用非铁磁性材料一丙烯腈一丁二烯一苯乙烯塑料，轴承、齿轮和螺钉的材质为尼龙；本穿刺定位机器人结构分为定位、定向和穿刺3个部分；定位部分有3个自由度(1.2.3)，采用SCARA型机器人结构，其机构运动包括一个升降自由度(1)和两个旋转自由度(2.3)；机构的升降是由气动活塞杆带动单向推板推动齿轮转动，后经螺杆转换为机构沿垂直方向的直线运动，从而实现了机构的升降运动；旋转自由度采用气动级进驱动器，扇形齿轮A、B、C在气缸的推动下依次运动，每个扇形齿轮都能使主齿轮转动一个微小的角度，当一次推动次序为A—B—C—A—B—C…·如此循环时，主齿轮可以带动后续机构逆时针旋转；当推动次序为C—B—A—C—B—A…-·如此循环时，主齿轮会带动后续机构顺时针旋转，从而带动机构旋转；定向机构采用两个自由度(4.5)的3杆并联结构，通过调整其中两杆的长度改变前端机构的方位，并联杆长度调整的原理与上述升降自由度的工作原理一致；末端穿刺机构有一个自由度(6)，并设计成一个具有夹持装置的长机械手结构，便于进入狭小的核磁共振仪工作空间并通过气缸活塞杆的运动推动齿条的上下运动来完成穿刺针的定位工作；

所述的驱动系统的设计：为解决核磁共振环境下穿刺手术的定位难题，设计了一种六自由度穿刺定位机器人全气动控制系统；该机器人系统能较好适应核磁共振环境，安全可靠，并且通过远距离输送压缩气体，将气动控制系统与实际手术环境隔离，实现了穿刺手术定位的远程自动控制；

本驱动系统采用定制铝合金气缸驱动机构运动，以PLC为控制单元对运动过程进行控制(控制系统结构示意图参见附图4)；电一气控制系统主要由PC计算机、PLC、控制开关、继电器、二位五通电磁阀、定制铝合金气缸以及其他气动元件组成；根据系统的要求，六自由度穿刺定位机器人控制系统的设计主要涉及了14个数字量输出和12个数字量输入，选取西门子PLC S7—200CPU224作为控制单元，CPU224的l，O点数是14/10，并扩展了一个EM222八位数字量输出模块；

为实现相应自由度的正、反运动，设计了气动控制回路系统。该系统主要由气源、气动两联件、2块电磁阀集装板、14组两位五通电磁阀、14组节流阀、4个消声器以及14组定制铝合金气缸组成；自由度1、4、5、6各自对应两个气缸，气缸活塞杆末端与一种特殊设计的单向推板连接，这两个气缸分别控制对应自由度的正、反两种运动状态，在PLC的控制下通过气缸的往复运动，带动前端的单向推板，推动该自由度完成级进运动，活塞杆的单次推出速度由节流阀控制，推出频率由PLC程序控制；自由度2、3各自对应三个气缸，依据前文所述的机构工作原理，三个气缸在PLC的控制下依次完成活塞杆的推出动作，通过调整三个气缸的动作次序即可实现相应自由度的正、反运动；

为实现对运动过程的控制，我们采用PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)为控制单元，设计了PLC软件程序。

根据上述机构工作原理，机器人各个自由度的运动主要分为两种运动模式；第一种运动模式依赖于单向推板的巧妙设计，工作时相应自由度的两个气缸中只有一个气缸推动活塞杆往复运动，另一个气缸不工作，此时，通过改变ton与td的值即可调整气缸活塞杆的动作频率(工作气缸的PLC控制时序图参见附图5)；当需机构反向运动时，相应的调整气缸动作次序即可；第二种运动模式是由相应自由度的三个气缸的规律运动实现相应自由度的正、反转动，在～个运动周期内，通过改变tonl、ton2、ton3与td1、td2、td3的值即可调整三个气缸活塞杆的动作频率；当需机构反向运动时，相应的调整气缸动作次序即可；根据机器人各自由度对应的控制时序图，编写了基于Micro—STEP7v4.0的软件控制程序，对机器人的运动进行控制。

六自由度手术机器人同真空抽吸活检仪的整合：

对于常用核磁仪器的基本工作空间为有限的圆柱形；六自由度机器人采用SCARA型机器人,初步设想将机器人末端装置设置成为一个可以夹持穿刺针的长机械手结构，使大部分机体结构可以放置在核磁共振仪工作空间之外，而只需机械手夹持穿刺针进入核磁共振仪工作空间，另外，穿刺针的穿刺过程选择在MRI工作空间外完成，待穿刺完成后再同扫描床一起进入MRI空间进行第二次扫描并执行取样功能，基于上述要求，机械手在第一次预扫描结束后需要根据穿刺点和穿刺路径固定在扫描床的相对位置；另一方面还要考虑到病人乳腺MRI检查时俯卧的特点，六自由度机器人的末端装置不可能从上而下进行穿刺，而是从侧向进行穿刺，无疑增加了六自由度机器人的末端装置以及穿刺针的设计难度；另外考虑到为进一步优化实验装置，可以将真空抽吸活检仪的微电脑控制系统与手术机器人的微电脑控制系统整合，在样品的制作中都会检验其可行性。

请参看附图6，图6是本发明MRI兼容性全自动活检机器人工作流程图。

MRI兼容性全自动化定位机器人及其真空辅助旋切系统整体穿刺活检工作流程：

1.术前核查患者检查检验报告，包括血常规、出血和凝血时间、已做的影像学检查结果；询问患者有无凝血功能障碍及麻药过敏史，排除手术禁忌症，避免并发症及不必要的医疗纠纷；告诉患者整个过程持续时间相对较长，体位不发生移动，是保证优质图像和穿刺的成功的首要条件；

2.由专业人士完成真空抽吸旋切活检仪的组装、六自由度全自动化机器人的组装工作，使其能够适应MRI空间兼容性；

3.采用GE Sig-naExcite HD 1.5TMR仪，8通道专用乳腺MR活检线圈；嘱患者俯卧，使双乳自然下垂置于线圈内；于患侧乳腺线圈内侧及外侧安放加压板，适度加压后将乳腺固定于定位装置内；外侧加压板同时作为定位系统；采用网格状定位系统，将1％Gd-DTPA溶液灌入网格状定位板底部凹槽，作为定位参照点；定位扫描采用VIBRANT序列:TR 4.7ms，TE2.2ms，层厚1.2mm，FOV 36cm×36cm，矩阵384×320，矢状位扫描；先行预扫描，病灶显示后将数据传至乳腺活检专用定位工作站(DynaCAD2.0,Invivo)，首先选定参照点，然后浏览图像；选择目的病灶，将光标置于目的病灶，工作站自动计算进针位置及进针深度；然后对病人进行常规穿刺点消毒麻醉，并要求消毒范围要比人工穿刺要广，局麻范围及深度要较人工穿刺要广、要深；并根据穿刺点和穿刺路径将机械手的位置固定在扫描床上，然后在人工监视下启动机械手的自动穿刺工作；

4.穿刺完成后再次扫描，在实时MRI成像下通过微调校正穿刺针的位置以便其能对应病变靶区，然后启动真空抽吸活检仪侧向抽吸系统，待部分病灶被吸入凹槽后，启动真空抽吸活检仪旋切按钮，最后启动真空抽吸活检仪轴向抽吸系统并退出针管切割刀，病变组织会被储藏在穿刺针的组织收集仓内。如需再次取样，即可重新启动真空抽吸活检仪侧向抽吸系统、旋切按钮、轴向抽吸系统等步骤即可完成，因为穿刺针被固定于取材通道，无需反复穿刺；并且，医生在MRI实时导航下利用数字化对病灶进行定位、穿刺以及切割，大大增加了临床医生对所取病灶组织选择的灵活性及准确性；

5.穿刺术后常规护理：术后压迫止血，必要时冰袋冷敷是减少穿刺血肿等并发症的关键。

本发明关键创新技术在于：

1.解决活检系统的MRI兼容性：MRI兼容手术机器人有以下几个要求：不能对病人和其它设备产生攻击等危险；在核磁环境下使用，不能影响到核磁设备的图像质量；能够按照设计要求准确完成定位。主要包括：空间兼容，材料兼容，驱动方式兼容。空间兼容是指在核磁共振仪环境下工作的执行机构系统需要受核磁共振仪工作空间的限制。我们现在常用的MRI分为开放式MRI和闭合式MRI两种。开放式MRI系统是最适合介入操作的MRI系统，它允许从一侧接近病人，并在近180°范围开展介人和手术操作，可提供360cm视野(FOV)，能满足全身各部位的介人需要，更能满足自动化机器人乳腺穿刺对MRI工作空间的要求；闭合式MRI系统由于其有限的工作空间必定对自动化机器人乳腺穿刺空间兼容性提出了更高要求。对于常用核磁仪器，基本工作空间为半径0.3m，长1.67m的圆柱形。基于上述分析，六自由度机器人采用SCARA型机器人，将机器人末端装置设置成为一个长机械手结构，使大部分机体结构可以放置在核磁共振仪工作空间之外，而只需机械手夹持穿刺针进入核磁共振仪工作空间，即使这样，狭小的工作空间也不能容纳机械手和一根穿刺针。对此，我们的方法则是机械手在MRI工作空间外完成自动穿刺定位，但不完成取样工作，待穿刺完成后，再随扫描床一同进入MRI工作空间进行扫描，因为此时穿刺针大部分已经进入乳腺组织，所以，MRI工作空间完全有可能容纳穿刺完成后的机械手和穿刺针，进而第二次成像即可实现取样操作的MRI的实时检测，包括通过微调进一步校正穿刺针的位置以及实时观察穿刺针的取样过程；手术机器人材质的设计采用非铁磁性材料一丙烯腈一丁二烯一苯乙烯塑料，轴承、齿轮和螺钉的材质为尼龙；考虑到气动驱动有较好的环境适应性，气体作为工作介质经济方便、不污染环境，气动装置结构简单，最终确定气压驱动作为驱动方式。本发明采用定制铝合金气缸驱动机构运动，以PLC为控制单元对运动过程进行控制，进而进一步实现穿刺定位的自动化。

2.实现穿刺针的示踪成像：介入器械可以分为主动显示和被动显示两种。所谓MR介人器械的被动显示(passive visualization)是指在MR检查时。经一般成像就可显示介入器械的技术.不需任何特殊扫描硬件，可分为三类：第一类是依靠器械本身置换水成分而产生的信号缺失(signal void)；第二类，也是最常用的，是利用各种介入器械和人体组织之间的磁化率(magnetic susceptibioity)差异形成的伪影；第三类，技术是通过对比剂增强器械的信号强度，从而形成其与组织问的对比，如将球囊及导管内充满。由于穿刺针具有MRI兼容性，对人体正常以及病变组织产生的伪影小，所以，我们采用被动显示的方法，是利用穿刺针和乳腺组织之间的磁化率(magnetic susceptibioity)差异形成的伪影来识别穿刺针。

3.实现实时的MRI导航：MR实时成像(real-time imaging)是在MR快速和超快速成像技术基础上发展起来的，有的称为MR透视(MR fluo.roscopy)或动态MR扫描技术(dynamic MR)，可以通过超快速梯度回波技术、回波平面成像(EPI)、单激发快速自旋回波技术和螺旋扫描技术实现，这适应了当今微创外科的要求，使得MR介入成为可能。MR实时成像增加MRI的时间分辨力的方法首选是采用快速脉冲序列，在尽可能短的时间内通过梯度场和射频脉冲的变换以采集尽可能多的空间编码信息；第二种方法是减少K空间的采样成像时间，而不使用以前的数据；第三种方法是减少K空间采样并使用以前的数据；最后是减少K空间采样但使用基于模型的重建数据。减少K空间采样成像时间的方法有用Lolo、Keyhole、Stripe k-space和Wavelet encode

4.解决好自动化穿刺术中患者的护理问题：人工穿刺术前患者都会做常规的消毒以及局麻，自动化的穿刺过程中由于没有直接人工的干预势必增加消毒以及局麻的难度。我们设定在患者预扫结束后由手术医生对其穿刺点附近消毒及麻醉，麻醉的范围和程度要较人工穿刺术广、深。另外，我们尽可能给患者创造一种无菌环境，除穿刺针会进行无菌处理外，用于定位和压迫的网格板也会进行无菌处理；穿刺伤口后，由于没有人工的止血，我们会在穿刺针的表面涂有聚四氟乙烯和纳米止血药物、抗肿瘤药物复合涂层，以便于快速止血及降低针道肿瘤种植转移的目标，即是将穿刺针置于载体聚合物和药物的混合溶液中，药物通过聚合物载体和活检穿刺针筒间的结合力吸附于穿刺针表面，其成分为纳米级高分子载体与凝血酶、氟尿嘧啶以一定方式结合而成，直径为100～300nm。

本发明的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，全自动化乳腺穿刺定位机器人均具有完全MRI兼容性，且在乳腺真空抽吸旋切活检系统助力下可实现乳腺病灶取材的实时MRI图像导航以及“一次进针、多次取样”的自动化设定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统包括真空抽吸活检仪和六自由度定位机器人系统。

2.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的真空抽吸活检仪包括穿刺活检针和动力系统主机。

3.根据权利要求2所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的活检穿刺针前方靠近针尖处设有凹槽；所述的凹槽后壁并排设有多枚真空吸引孔；所述的凹槽上方，穿刺活检针内部设有针管切割刀；所述的穿刺活检针后段设有组织收集仓。

4.根据权利要求2所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的动力系统主机包括主机本体；所述的主机本体上表面依次设有方向控制按键、旋切控制按键和真空抽吸按键；所述的主机本体上表面还设有显示器；所述的主机本体前侧设有控制连接导线和真空抽吸泵系统连接导线。

5.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的活检穿刺针为中空圆柱形结构，长20cm，外径3mm，针尖锋利呈锥形；所述的凹槽11长0.2-2.0cm，宽1.5-2.5mm；所述的真空吸引孔有3枚；所述的针管切割刀为中空圆柱形结构；所述的活检穿刺针及针管切割刀均采用合金材料制作；所述的穿刺活检针尖端、取样凹槽表面以及针管切割刀表面均还增设聚四氟乙烯和纳米止血药物、抗肿瘤药物复合涂层。

6.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的六自由度机器人系统包括机体结构和驱动系统。

7.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的机体结构包括定位结构、定向结构和穿刺结构。

8.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的定位结构设有三个自由度，所述的定向结构设有两个自由度，所述的穿刺结构设有一个自由度。

9.根据权利要求1所述的MRI兼容性全自动化乳腺病灶定位活检机器人系统，其特征在于，所述的驱动系统采用定制铝合金气缸驱动机构运动，以PLC为控制单元对运动过程进行控制。

Images