CN113198099B - 一种粒子植入机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种粒子植入机器人系统，它涉及医疗器械技术领域，用于肿瘤治疗过程中将放射性粒子植入到组织内。其中粒子植入机器人系统包括：多自由度机械臂实现粒子植入针空间位置和姿态调整，电动粒子植入器实现电动粒子植入过程，医用移动可稳固推车携带粒子植入机器人，便于与其他设备协同使用，机器人操控台提供一种人机交互方法便于医生操作控制粒子植入机器人，控制模块集成由工控机及多轴运动控制器驱动器等，还介绍一种人机交互方法，使医生根据自己治疗方案，灵活实现放射性粒子植入。

Description

一种粒子植入机器人系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，特别是一种粒子植入机器人系统。

背景技术

将放射性粒子植入到肿瘤组织内，可以有效地治疗肿瘤，尤其是超大肿瘤不宜手术时。多个科室针对人体不同部位发病肿瘤都会选择使用放射性粒子植入术进行治疗。目前，临床上是利用手动装置进行粒子植入。本发明介绍的粒子植入机器人系统着眼于成为医生粒子植入的得力工具，采用有效人机交互方法，使得医生灵活且精确控制粒子植入机器人，实现针对不同场景下的放射性粒子植入。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的是提供一套完整的粒子植入机器人系统的硬件组成。

本发明的第二目的是根据粒子植入机器人系统提出一种简单直观且能够完成机器人辅助粒子植入的人机交互方法。

为了实现上述目的，本发明的一种粒子植入机器人系统，其特征在于，它包含：由多自由度机械臂、电动粒子植入器、医用移动可稳固推车、机器人操控台、控制模块组成的粒子植入机器人系统；

由电动粒子植入器图形运动显示、图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划、确定植入针姿态的钟点方位投影法、植入针视野下辅助瞄准操控法组成的人机交互方法。

所述的的粒子植入机器人系统，其特征在于：电动粒子植入器安装在多自由度机械臂末端，多自由度机械臂固定安装在医用移动可稳固推车上，控制模块固定安装在移动可稳固推车上，控制模块是多自由度机械臂的控制柜、控制电动粒子植入器的运动控制器和驱动器、各种传感器的驱动硬件模块、工控机以及它们之间通信线缆的集成，电动粒子植入器通过一根线缆连接到控制模块上。

作为优选，所述的一种粒子植入机器人系统的电动粒子植入器，其特征在于：电动粒子植入器有两个自由度，分别实现驱动内针和外针运动，电动粒子植入器安装有摄像头、红外线测距传感器和两个光电开关，电动粒子植入器安装有一个可切换状态的按键，电动粒子植入器上有粒子弹夹的安装装置。

作为优选，所述的一种粒子植入机器人系统的机器人操控台，其特征在于：机器人操控台装有显示屏，可以显示粒子植入机器人系统的人机交互界面，机器人操控台装有各种按键和手柄，根据预设的功能实现对粒子植入机器人的控制，机器人操控台装有各种状态指示灯，根据状态指示灯预设的功能表示粒子植入机器人当前的状态。

作为优选，所述的一种粒子植入机器人系统的人机交互方法，其特征在于，所述的电动粒子植入图形运动显示实时准确电动表达粒子植入器的运行状态，其具体包括：

根据电动粒子植入器的内针和外针驱动电机编码器的位置，在图形运动显示表达内针和外针的运动状态；

根据安装粒子弹夹的数量和内针和外针的运动状态，可以估计出当前粒子弹夹中粒子的数量；

根据内针和外针的运动状态，可以估计粒子被内针推动且在外针内腔的位置；

根据外针在体外参考面开始运动和外针运动的距离，可以计算出外针针刺最深位置，红外测距传感器测量和体外参考面位置计算组织表面的位置，根据组织表面位置和针刺入最深位置计算出针刺入在组织内的距离。

作为优选，根据权利要求1所述的一种粒子植入机器人系统的人机交互方法，其特征在于，所述的图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划具体包括：

根据权利要求1所述的针刺入在组织内的距离，图形交互确定植入规划粒子的数量、确定规划粒子在外针上的分布排列，生成连续多颗粒子植入运动规划程序；

所述的多颗粒子连续植入规划程序，通过一个使能键控制连续植入运动，松开使能键，停止连续植入运动，按下按键，从上一次停止处继续进行连续植入运动，即实现单针轨迹内多颗连续粒子植入运动规划和人机交互操作；

所述的植入粒子和规划粒子在确定植入完成时，进行锁定操作，不在进行交互，表达粒子已植入完成。

作为优选，根据权利要求1所述的一种粒子植入机器人系统的人机交互方法，其特征在于，所述的确定植入针姿态的钟点方位投影法具体包括：

根据针尖当前所在的空间位置为时钟圆心，在水平面建立钟点方位，面向针的方向为12点钟方向，从竖直平面投影植入针到时钟水平面的投影为植入针的投影时针，投影时针指向的钟点方位和投影时针的长度可以确定植入针在当前位置的三维空间姿态；

通用的两轴人机交互手柄中，其中两个轴的数据可以计算出水平时钟的钟点方位，与植入针的钟点方位相对应，两个轴数据的平方和，与植入针的投影时针长度相对应，建立人机交互手柄操控植入针姿态的直观操作映射模型。

作为优选，所述的一种粒子植入机器人系统的人机交互方法，其特征在于，所述的植入针视野下辅助瞄准操控法具体包括：

通过电动粒子植入器上的相机拍到外针和组织表面的画面确定为植入针的视野；

将测量计算得到的针到组织表面的距离，实时显示在植入针视野下，通过操控台按钮控制多自由度机械臂沿针轴向的运动；

医生通过机器人操控台显示植入针视野，作为XY平面，通过操控台两个按钮分别控制多自由机械臂在视野平面内的XY方向移动，辅助针尖瞄准组织表面的入针点。

作为优选，所述的一种粒子植入机器人系统的人机交互方法，其特征在于，所述的快速粗定位和微调精定位操控法具体包括：

通过按住电动粒子植入器的按键时，切换多自由度机械臂自适应控制模式，手拖动电动粒子植入器实现快速粗定位，松开按键切换为原来控制模式；

通过所述的确定植入针姿态的钟点方位投影法和所述的植入针视野下辅助瞄准操控法，精确调整外针针尖到达体外参考面，且外针沿针轴方向指向刺入组织目标点；

通过机器人操控台上的按键，可电动控制电动粒子植入器外针刺入组织内，精确控制针刺入的距离；

通过机器人操控台上的按键，可电动控制电动粒子植入器内针推送弹夹中的粒子到外针针尖处，完成单科粒子植入；

或者，根据权利要求1所述的图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划，实现单针多颗粒子连续粒子植入。

本发明的有益效果为：

（1）粒子植入机器人系统的所有运动控制据采用按键使能的功能，在保证功能的前提下，随时启动和随时停止，保证粒子植入机器人的可控性，安全性。

（2）电动粒子植入器的独立的针刺运动，有效的保证了针刺入组织的关键运动的精准性、稳定性和可靠性。

（3）人机交互时，采用图像实时仿真动画，直观准确表达了电动粒子植入器运行状态，以及内针推送粒子的运动状态，粒子弹夹的粒子数量变化状态，使操作者清晰明了的获知电动粒子植入器运动过程和状态，便于准确决策进行下一步操作的时机。

（4）本发明提出的单针多颗粒子连续植入规划和控制，在保证可控的前提下，提高了粒子植入的效率。

（5）本发明的粒子植入系统，作为医生粒子植入的工具，并没有限制使用的场景，提高了粒子植入的临床应用范围。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为粒子植入机器人系统的整体结构示意图；

图2为粒子植入机器人的人机交互方法流程图；

图3为粒子植入机器人系统的电动粒子植入器状态信息示意图；

图4为确定植入针姿态的钟点方位投影法示意图；

图5为植入针视野下辅助瞄准操控法示意图；

图中：1多自由机械臂；2电动粒子植入器；3医用移动可稳固推车；4机器人操控台；3-1粒子弹夹；3-2实际粒子；3-3内针；3-4外针；3-5体外参考面；3-6组织表面；3-7规划粒子；3-8针刺最深位置；3-9针刺路径；4-1植入针；4-2投影时针；4-3组织表面的针刺靶点；5-1植入针准星；5-2植入针针尖位置。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合附图来说明本发明实施例的一种粒子植入机器人系统。

图1为本发明实施例的粒子植入机器人系统整体结构示意图。如图1所示它包含多自由度机械臂1、电动粒子植入器2、医用移动可稳固推车3、机器人操控台4、控制模块5，电动粒子植入器2安装在多自由度机械臂1末端，多自由度机械臂1固定安装在医用移动可稳固推车3上，控制模块5固定安装在移动可稳固推车上，控制模块5是多自由度机械臂的控制柜、控制电动粒子植入器2的运动控制器和驱动器、各种传感器的驱动硬件模块、工控机以及它们之间通信线缆的集成，电动粒子植入器2通过一根线缆连接到控制模块5上。

电动粒子植入器2有两个自由度，分别实现驱动内针和外针运动，通过对内针和外针的同步驱动实现针刺运动，电动粒子植入器2安装有摄像头，用于拍摄针刺入组织的实时画面，红外线测距传感器测得到组织表面的距离，在根据针刺的运动距离，便可间接计算出针刺入组织的距离，两个光电开关用于驱动电机快速回到零位，电动粒子植入器2安装有一个可切换状态的按键，按键绑定机器人自适应控制模式，实现手持拖动电动粒子植入器2，快速实现粗定位，电动粒子植入器2上有粒子弹夹的安装装置，用于护士快速更换弹夹。医用移动可稳固推车底部安装有可切换状态的稳固装置，可切换固定和不固定两种状态。

机器人操控台（4）装有显示屏，可以显示粒子植入机器人系统的人机交互界面，机器人操控台（4）装有各种按键和手柄，根据预设的功能实现对粒子植入机器人的控制，按键控制均是使能控制，即按下按键运动开启，松开按键运动停止，进一步实现机器人运动的可控性。机器人操控台（4）装有各种状态指示灯，根据状态指示灯预设的功能表示粒子植入机器人当前的状态。

电动粒子植入器（2）的通信线缆连接在运动控制器和驱动器上，控制器通过网线连接到工控机上，电动粒子植入器（2）上的相机通过网线连接到工控机上，机器人操控台（4）的控制线缆连接到工控机上。

图2为本发明实施例的粒子植入机器人的人机交互流程示意图。如图2所示，S101，按住电动粒子植入器（2）上按钮切换机器人为自适应控制模式。

S102，拖动电动粒子植入器（2）使植入针到组织表面的针刺靶点（4-3）位置附近，松开电动粒子植入器（2）上按钮切换为主从控制模式。

S103，在如图5所示的植入针视野下辅助瞄准操控法示意图，显示了电动粒子植入器（2）相机呈现的植入针视野，直观操控XY方向运动，使植入针准星（5-1）与组织表面的针刺靶点（4-3）重合，进而实现植入针（4-1）沿针轴指向组织表面的针刺靶点（4-3）。

S104，继续操控沿针轴Z方向运动，控制针尖到针刺靶点的距离，到达体外参考面，便于切换电动粒子植入器（2）进行针刺操作。

S105-S106，在确定植入针（4-1）瞄准针刺靶点后，要确定植入针（4-1）的姿态，根据本发明的确定植入针姿态的钟点方位投影法的一个实例，如图4所示，在植入针视野下，相对于组织表面针刺靶点（4-3）远端方向为12点钟，近端为6点钟方向，操控机器人运动，控制植入针（4-1）到目标方位，控制投影时针的长度来实现植入针（4-1）的倾角。

S107，确定好植入针（4-1）位置和姿态后，操控机器人运动，点动控制电动粒子植入器的外针运动来实现针刺运动和退针运动。

S108-S109，如图3所示，为粒子植入机器人系统的电动粒子植入器状态信息示意图，还可以设置多颗规划粒子（3-7）在针刺深度上的粒子分布，粒子的分布是由粒子剂量规划计算得出，生成连续规划植入程序。

S1010，按下操控按钮，继续使能控制连续粒子植入，直至单针多颗粒子植入完成停止运动，松开按钮，暂停连续粒子植入运动。

S108-S1012-S1013，按下操控按钮，继续使能控制电动粒子植入器（2）内针推送粒子连续运动，包括负向运动准备粒子和正向运动推送粒子，直至单颗粒子植入完成停止运动，松开按钮，暂停内针推送粒子的连续运动。

S1014-S1017，控制外针进行退针操作，退到目标位置，再次执行粒子植入操作。

S1011，此时完成刺入单针完成多颗粒子植入后，操控电动粒子植入器（2）外针运动，退出植入针（4-1）到体外参考面。

多针粒子植入是循环执行S101-S1010提到的流程。

以上显示和描述了本发明的基本原理和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说明本发明的原理，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有所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种粒子植入机器人系统，其特征在于，它包含：由多自由度机械臂（1）、电动粒子植入器（2）、医用移动可稳固推车（3）、机器人操控台（4）、控制模块（5）组成的粒子植入机器人硬件；由电动粒子植入图形运动显示、图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划、确定植入针姿态的钟点方位投影法、植入针视野下辅助瞄准操控法、快速粗定位和微调精定位操控法组成的人机交互方法；

电动粒子植入器（2）安装在多自由度机械臂（1）末端，多自由度机械臂（1）固定安装在医用移动可稳固推车（3）上，控制模块（5）固定安装在医用移动可稳固推车上，控制模块（5）是多自由度机械臂的控制柜、控制电动粒子植入器（2）的运动控制器和驱动器、各种传感器的驱动硬件模块、工控机以及它们之间通信线缆的集成，电动粒子植入器（2）通过一根线缆连接到控制模块（5）上；

植入针包括内针（3-3）和外针（3-4），电动粒子植入器（2）有两个自由度，分别实现驱动内针和外针运动，所述的电动粒子植入图形运动显示实时准确表达电动粒子植入器（2）的运行状态，其具体包括：根据电动粒子植入器的内针和外针驱动电机编码器的位置，在图形运动显示表达内针（3-3）和外针（3-4）的运动状态；根据安装粒子弹夹的数量和内针（3-3）和外针（3-4）的运动状态，可以估计出当前粒子弹夹（3-1）中粒子的数量；根据内针（3-3）和外针（3-4）的运动状态，可以估计实际粒子（3-2）被内针（3-3）推动距离且在外针（3-4）内腔的位置；根据外针（3-4）在体外参考面（3-5）开始运动和外针（3-4）运动的距离，可以计算出外针（3-4）针刺最深位置（3-8），根据红外测距传感器测量和体外参考面（3-5）位置计算组织表面（3-6）的位置，根据组织表面（3-6）位置和针刺最深位置（3-8）计算出植入针刺入在组织内的距离；

所述的图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划具体包括：根据计算出的植入针刺入在组织内的距离，图形交互确定规划粒子（3-7）的数量、确定规划粒子在外针（3-4）上的分布排列，生成多颗粒子连续植入运动规划程序；多颗粒子连续植入运动规划程序，通过一个使能键控制连续植入运动，松开使能键，停止连续植入运动，按下使能键，从上一次停止处继续进行连续植入运动，即实现单针轨迹内多颗粒子连续植入运动规划和人机交互操作；植入的实际粒子（3-2）和规划粒子（3-7）在确定植入完成时，进行锁定操作，不再进行交互，表达粒子已植入完成；

所述的确定植入针姿态的钟点方位投影法具体包括：根据植入针（4-1）针尖当前所在的空间位置为时钟圆心，在水平面建立钟点方位，面向植入针（4-1）的方向为12点钟方向，从竖直平面投影植入针到时钟水平面的投影为植入针的投影时针（4-2），投影时针（4-2）指向的钟点方位和投影时针的长度可以确定植入针（4-1）在当前位置的三维空间姿态；通用的两轴人机交互手柄中，其中两个轴的数据可以计算出水平时钟的钟点方位，与植入针（4-1）的钟点方位相对应，两个轴数据的平方和，与植入针（4-1）的投影时针（4-2）长度相对应，建立人机交互手柄操控植入针姿态的直观操作映射模型；

所述的植入针视野下辅助瞄准操控法具体包括：通过电动粒子植入器（2）上的相机拍到外针和组织表面的画面确定为植入针（4-1）的视野；将测量计算得到的植入针（4-1）到组织表面的距离，实时显示在植入针视野下，通过操控台按钮控制多自由度机械臂（1）沿针轴向运动；医生通过机器人操控台显示植入针视野，作为XY平面，通过操控台两个按钮分别控制多自由机械臂在视野平面内的XY方向移动，辅助植入针（4-1）针尖瞄准组织表面的入针点；

所述的快速粗定位和微调精定位操控法具体包括：通过按住电动粒子植入器（2）的按键，切换多自由度机械臂（1）自适应控制模式，手拖动电动粒子植入器（2）实现快速粗定位，松开按键切换为原控制模式；根据确定植入针姿态的钟点方位投影法和植入针视野下辅助瞄准操控法，精确调整植入针（4-1）针尖到达体外参考面，且植入针（4-1）沿针轴方向指向刺入组织目标点；通过机器人操控台（4）上的按键，可电动控制电动粒子植入器植入针刺入组织内，精确控制植入针刺入的距离；通过机器人操控台（4）上的按键，可电动控制电动粒子植入器内针推送弹夹中的粒子到外针针尖处，完成单科粒子植入；或者可根据图形界面交互的单针轨迹粒子位置规划，实现单针多颗粒子连续粒子植入。

2.根据权利要求1所述的一种粒子植入机器人系统，所述电动粒子植入器（2）安装有摄像头、红外线测距传感器和两个光电开关，电动粒子植入器（2）安装有一个可切换状态的按键，电动粒子植入器（2）上有粒子弹夹的安装装置。

3.根据权利要求1所述的一种粒子植入机器人系统，所述机器人操控台（4）装有显示屏，可以显示粒子植入机器人系统的人机交互界面，机器人操控台（4）装有各种按键和手柄，根据预设的功能实现对粒子植入机器人的控制，机器人操控台（4）装有各种状态指示灯，根据状态指示灯预设的功能表示粒子植入机器人当前的状态。

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