CN113893036A - 一种磁共振环境下的介入机器人装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁共振环境下的介入机器人装置，包括设置在磁共振设备内的机器人本体，所述机器人本体包括固定座、支撑座、驱动机构以及末端执行器机构，支撑座设置在固定座上方，与固定座形成操作空间；驱动机构设置在所述操作空间内，驱动机构控制所述末端执行器机构调节位置。本发明通过设置有绳索传动组件和末端执行器机构绳索传动组件可使得控制器及电机远离磁场环境，不受磁共振狭窄工作空间的影响，并且可驱动末端执行器机构相较于目标组织的角度，从而实现对目标位置的精准定位。同时末端执行器机构包括第一转动件、第一连接件和针刺组件，第一转动件和第一连接件转动连接，以扩大末端执行器机构的维度，方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及磁共振成像领域，具体地，涉及一种磁共振环境下的介入机器人装置。
背景技术
磁共振成像(MRI)是心脑血管及肿瘤等重要疾病临床诊断与治疗的重要技术手段之一。与CT与PET技术相比，它具有无创、兼具结构影像功能特性、优异的软组织对比功能，能提供多角度、多层次的三维成像。而且不会使患者暴露于X射线的破坏性电离辐射中，无辐射，对患者和医护人员更安全。
磁共振成像(MRI)也有其难点问题：很难实时导航、强磁场、对手术器具兼容性要求高，常用的手术装置不能与磁共振集成。另外，由于磁共振扫描仪腔内空间狭小，操作流程复杂等原因，许多治疗得不到较好的开展。机器人在其内操作时会受到空间的限制，从而降低检测效率。
现有技术中，Dan Stoianovici等报告了一种新的机器人系统，平行四边形杆式机构，针导具有两个自由度(DOF)，手动针插入深度预设为第三个自由度。导针处的结构刚度为33N/mm。机械手本身的角度精度为0.177°和0.077°。磁共振引导的体外靶向准确度和精密度分别为1.71mm和0.51mm，平均靶向深度～38mm，无需调整。Andreas Melzer等人开发了一个MRI引导下的经皮介入手术机器人系统，机器人系统采用气缸驱动，共7个自由度。该系统采用主从控制方式，需要医生手动参与操作。Navarro-Alarcon等研究了紧凑型机器人结构，允许机构在一个开放式的扫描器内进行正面和侧面的插入。介绍了一种用于乳房介入的立体定向机器人,5个自由度，该设备通过超声电机和图形用户界面进行远程控制，提供实时指导计划和操作监控。D.Stoianovici et al.研究一种紧凑型六自由度机器人，用于在成像仪的有限空间内操作针头或其他细长的手术器械，而不会产生图像伪影。其特点是与经皮介入的定位、定向和器械插入步骤相关的分离运动能力。机器人与成像设备的兼容性一直是一项具有挑战性的工程任务，特别是与磁共振环境的兼容性。Axel Krieger等研究了一种经直肠前列腺驱动机器人的设计、开发和磁共振成像兼容性评估，该机器人用于磁共振引导的前列腺穿刺干预。采用压电陶瓷电机驱动导针定位和手动插针的机器人设计。磁共振相容性研究的结果显示，启用电机可以在没有射频(RF)屏蔽的情况下将信噪比降低80％。但是上述方案无法实现方便快捷的工作模式。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁共振环境下的介入机器人装置。
根据本发明提供的一种磁共振环境下的介入机器人装置，包括设置在磁共振设备内的机器人本体，所述机器人本体包括固定座、支撑座、驱动机构以及末端执行器机构，其中：
支撑座设置在固定座上方，与固定座形成操作空间；
驱动机构设置在所述操作空间内，驱动机构控制所述末端执行器机构调节位置。
优选地，所述末端执行器机构包括第一转动件、第一连接件以及针刺组件，其中：
两个第一转动件分别与固定座和支撑座转动连接；
所述第一连接件与两个第一转动件转动连接；
所述针刺组件设置在与支撑座转动连接的第一转动件上。
优选地，每个第一转动件包括转动本体及与转动本体转动连接的连接体。
优选地，转动本体具有自其表面向上突伸形成的突伸部，连接体与所述突伸部转动连接，从而实现连接体于水平方向上的转动。
优选地，与固定座连接的转动本体呈圆柱状并与固定座螺纹连接；
与支撑座连接的转动本体包括螺纹部及与螺纹部固定连接的固定部，螺纹部与支撑座转动连接，固定部位于支撑座的上方，针刺组件放置在所述固定部上。
优选地，针刺组件包括与转动本体连接的驱动件及与驱动件连接的活检针，驱动件用以驱动活检针做直线运动。
优选地，所述驱动机构包括与外部驱动件连接的绳索传动组件及与绳索传动组件连接的驱动组件，驱动组件和绳索传动组件的个数相同，且至少设置有四组。
优选地，每组驱动组件包括分别与固定座和支撑座固定连接的两个固定件，以及分别与两个固定件连接的两个滑轮，每组绳索传动组件包括用以连接两个滑轮的绳索，调节绳索的长度以改变两个滑轮之间的间距，进而改变该组驱动组件处的固定座和支撑座的角度。
优选地，驱动机构还包括与每组驱动组件连接的配重件，以及用以驱动绳索运动的电机，电机驱动绳索运行，并在配重件的作用下，使得两个滑轮之间的间距发生改变。
优选地，还包括用以转动连接固定座和支撑座的连杆，所述连杆形成有用以防止与连接件形成干涉的避让区；
连杆包括端部及自端部向外弯折形成的弯折部，所述弯折部形成避让区。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过设置有绳索传动组件和末端执行器机构绳索传动组件可使得控制器及电机远离磁场环境，不受磁共振狭窄工作空间的影响，并且可驱动末端执行器机构相较于目标组织的角度，从而实现对目标位置的精准定位。
2、本发明的末端执行器机构包括第一转动件、第一连接件和针刺组件，第一转动件和第一连接件转动连接，以扩大末端执行器机构的维度，方便快捷。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1和图2为磁共振环境下介入机器人装置的应用结构示意图。
图3为磁共振环境下介入机器人装置的结构示意图。
图4为磁共振环境下介入机器人装置支撑座部分的结构示意图。
图5为磁共振环境下介入机器人装置的固定座部分结构示意图。
图中示出：
100-磁共振环境下介入机器人装置
1-固定座
2-支撑座
3-驱动机构
31-固定件
32-滑轮
33-调节绳索
34-配重件
4-末端执行器
41-第一转动件
411-转动本体
412-连接体
413-固定部
42-第一连接件
43-针刺组件
431-驱动件
432-活检针
5-连杆
51-端部
52-弯折部
53-第二转动件
54-第二连接件
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，本发明提供了一种磁共振环境下的介入机器人装置100，用以对目标组织做针刺处理以获得目标组织。在本实施例中，该磁共振下介入机器人装置用于磁共振设备中。磁共振设备的可操作空间过于狭小，高度仅为200mm，而横向直径仅为400mm。一般的机器人在其内无法实现多个维度的调节，操作极其不便。在本实施例中，磁共振下介入机器人装置的高度为180mm，直径为100mm，其直径和高度远小于磁共振设备的操作空间的尺寸，故其能够适于横向或者侧向的接入，能够在比较狭窄的工作空间内进行定位和操作。
具体的，该磁共振环境下介入机器人装置包括固定座1、与固定座1之间形成操作空间的支撑座2、设置在该操作空间内的驱动机构3、及被驱动机构3驱动的末端执行器机构4，固定座1在实施过程中，位置保持不变，而支撑座2由于驱动机构3和末端执行器机构4的角度变化，其角度也相应发生改变。末端执行器机构4在驱动组件的驱动下，与目标组织之间的角度从而得到调节，进而对目标组织的病灶点能够更加精准的确定。而对于目标组织的病灶点更为精准的确定，还基于末端执行器机构4的运动和视觉伺服补偿相结合的基础，以实时控制末端执行器机构4准确到达病灶点。其中，视觉伺服补偿采用双目视觉的方法，双目视觉的进度是获取病灶点当前位置信息的关键。双目视觉为的技术常规技术，在此不做赘述。
末端执行器机构4用以对目标组织进行针刺动作，从而获取目标组织，以对获得的目标组织进行检验。其中，末端执行器机构4包括分别与固定座1和支撑座2转动连接的两个第一转动件41、用以与两个第一转动件41转动连接的第一连接件42、及与第一转动件41连接的针刺组件43。分别与固定座1和支撑座2转动连接的两个第一转动件41实现第一维度的角度调节，与两个第一转动件41转动连接的第一连接件42则实现第二维度的角度调节，因而可以使得针刺组件43对目标组织的病灶点实现精准定位。
具体的，每个第一转动件41包括转动本体411及与转动本体411转动连接的连接体412。值得注意的是，在本实施例中，两个转动本体411的结构存在区别。与固定座1连接的转动本体411，其呈圆柱状。圆柱状的转动本体411与固定座1螺纹连接。而与支撑座2连接的转动本体411，其包括螺纹部及与螺纹部固定连接的固定部413，螺纹部与支撑座2转动连接，而固定部413位于支撑座2的上方，以放置针刺组件43。
两个转动本体411的结构又存在相同特征。该相同特征为：转动本体411具有自其表面向上突伸形成的突伸部，连接体412与突伸部转动连接，从而可以实现连接体412于水平方向上的转动。在本实施例中，该转动体呈十字状，第一连接件42与转动体连接，从而实现第一连接件42于竖直方向上的转动。
针刺组件43包括与转动本体411连接的驱动件431及与驱动件431连接的活检针432，驱动件431用以驱动活检针432做直线运动。在本实施例中，该驱动件431为气缸。这样设置的目的在于：因为驱动件431要置于磁共振设备的操作空间内从而靠近目标组织工作，而电机与磁共振设备之间形成磁干扰，为了降低该驱动件431与磁共振设备之间形成磁干扰的可能性，故将驱动件431设置成气缸。诚然，在其他实施例中，该驱动件431也可为液压缸等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。其中，活检针432为常规结构，故在此不做赘述。
驱动机构3包括与外部驱动件连接的绳索传动组件及与绳索传动组件连接的驱动组件，驱动组件和绳索传动组件的个数相同，且设置有至少四组。至少四组驱动组件和绳索传动组件等距设置在固定座1和支撑座2之间，从而对末端执行器机构4的工作角度实现全方位的调节。在本实施例中，绳索传动组件和驱动组件设置有四组，诚然，在其他实施例中，该绳索传动组件和驱动组件的组数也可为其他，例如五组、六组等，在此不做具体限定，根据实际情况而定。
具体的，每组驱动组件包括分别与固定座1和支撑座2固定连接的两个固定件31、及分别与两个固定件31连接的两个滑轮32，每组绳索传动组件包括用以连接两个滑轮32的绳索33，调节绳索33的长度以改变两个滑轮32之间的间距，进而改变该组驱动组件处的固定座1和支撑座2的角度，以调节末端执行器机构4的角度。
驱动机构3还包括与每组驱动组件连接的配重件34、及用以驱动绳索33运动的电机，电机驱动绳索33运行、并在配重件34的作用下，使得两个滑轮32之间的间距发生改变。在本实施例中，配重件34为铁块，电机和配重件34设置在磁共振设备的外部，两者通过绳索33进入至磁共振设备内部，从而调节末端执行器机构4的角度。将电机和配重件34设置在磁共振设备的外部的目的同上述，即防止增大磁共振设备内部磁干扰的问题。
磁共振环境下介入机器人装置100还包括用以转动连接固定座1和支撑座2的连杆5，连杆5形成有用以防止与连接件形成干涉的避让区。连杆5包括端部51及自端部51向外弯折形成的弯折部52，弯折部52形成避让区。具体的，该弯折部52朝向远离连杆5的一侧弯折形成，以防止在连接件的角度调节过程中，连杆5对其造成干涉。
连杆5分别通过两个第二转动件53与固定座1和支撑座2转动连接。其中，第二转动件53的结构和与固定座1连接的第一转动件41的结构一样，故在此不做赘述。并且，连杆5和第二转动件53之间还通过第二连接件54连接，第二连接件54的结构与第一连接件42的结构相同，也不做赘述。
在四组驱动组件中，控制一组的绳索33张紧实现绳索33处于受拉状态，以实现角度的调节。根据以上计算解算步骤：1、根据活检针432的针头末端点的位置(X,Y,Z)，求解活检针432于X轴、Y轴和Z轴上的倾斜角度(α,β,γ)，继而确定动平台的位姿；2、根据动平台的位姿，确定动平台上牵引绳铰点的位置，继而得出绳长。
其中，支撑座2上的四个固定件31的矩阵为：
固定座1上的四个固定件31的矩阵为：
绳长矩阵为：
绳长为：
本发明的磁共振环境下介入机器人装置100的实施过程为：根据磁共振图像获取乳腺病灶信息，操作设备的控制面板上的触摸屏指令信号，并通过PLC以控制电机，使得磁共振环境下介入机器人装置100通过绳索33拉力远程驱动末端执行器机构4。活检针432作为末端执行器，以病灶点三维坐标(X-Y-Z)为控制导向，在可视化屏幕上完成目标点对准。然后启动末端活检针432的气动控制，进行针刺活检操作。
本发明机构较长绳索传动组件可使得控制器及电机远离磁共振设备环境，不受磁共振狭窄环境的影响；柔性绳索传动组件与末端执行器连接，控制末端执行器相较于目标组织之间的角度，实现多角度进针。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本发明的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，包括设置在磁共振设备内的机器人本体，所述机器人本体包括固定座、支撑座、驱动机构以及末端执行器机构，其中：
支撑座设置在固定座上方，与固定座形成操作空间；
驱动机构设置在所述操作空间内，驱动机构控制所述末端执行器机构调节位置。
2.根据权利要求1所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，所述末端执行器机构包括第一转动件、第一连接件以及针刺组件，其中：
两个第一转动件分别与固定座和支撑座转动连接；
所述第一连接件与两个第一转动件转动连接；
所述针刺组件设置在与支撑座转动连接的第一转动件上。
3.根据权利要求2所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，每个第一转动件包括转动本体及与转动本体转动连接的连接体。
4.根据权利要求3所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，转动本体具有自其表面向上突伸形成的突伸部，连接体与所述突伸部转动连接，从而实现连接体于水平方向上的转动。
5.根据权利要求3所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，与固定座连接的转动本体呈圆柱状并与固定座螺纹连接；
与支撑座连接的转动本体包括螺纹部及与螺纹部固定连接的固定部，螺纹部与支撑座转动连接，固定部位于支撑座的上方，针刺组件放置在所述固定部上。
6.根据权利要求3所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，针刺组件包括与转动本体连接的驱动件及与驱动件连接的活检针，驱动件用以驱动活检针做直线运动。
7.根据权利要求1所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，所述驱动机构包括与外部驱动件连接的绳索传动组件及与绳索传动组件连接的驱动组件，驱动组件和绳索传动组件的个数相同，且至少设置有四组。
8.根据权利要求7所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，每组驱动组件包括分别与固定座和支撑座固定连接的两个固定件，以及分别与两个固定件连接的两个滑轮，每组绳索传动组件包括用以连接两个滑轮的绳索，调节绳索的长度以改变两个滑轮之间的间距，进而改变该组驱动组件处的固定座和支撑座的角度。
9.根据权利要求8所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，驱动机构还包括与每组驱动组件连接的配重件，以及用以驱动绳索运动的电机，电机驱动绳索运行，并在配重件的作用下，使得两个滑轮之间的间距发生改变。
10.根据权利要求1所述的磁共振环境下的介入机器人装置，其特征在于，还包括用以转动连接固定座和支撑座的连杆，所述连杆形成有用以防止与连接件形成干涉的避让区；
连杆包括端部及自端部向外弯折形成的弯折部，所述弯折部形成避让区。
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| CN202111057931.1A Active CN113893036B (zh) | 2021-09-09 | 2021-09-09 | 一种磁共振环境下的介入机器人装置 |
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| CN (1) | CN113893036B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115035124A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-09-09 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 基于Harris角点检测的随动定位系统导针计算方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002038986A1 (de) * | 2000-11-13 | 2002-05-16 | Siemens Aktiengesellschaft | Stellvorrichtung für ein einstellbares getriebe |
| US20120165652A1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-06-28 | Viewray Incorporated | System and method for image guidance during medical procedures |
| CN104825231A (zh) * | 2015-04-30 | 2015-08-12 | 中国科学技术大学先进技术研究院 | 一种磁共振引导乳腺癌微创介入手术机器人及其控制方法 |
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-
2021
- 2021-09-09 CN CN202111057931.1A patent/CN113893036B/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115035124B (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-11 | 南京伟思医疗科技股份有限公司 | 基于Harris角点检测的随动定位系统导针计算方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113893036B (zh) | 2023-11-21 |
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