CN114533138B - 一种融合触觉感知的自动化穿刺机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，包括触觉传感器和穿刺机构。其中，触觉传感器安装在机构的前端，用于读取人体皮肤表面信息，通过反射镜片把图像传递给相机。穿刺机构通过丝杆马达和滑块控制插针的伸缩运动，通过减速直流电机控制插针的旋转运动，并用传感器检测插针所受的力和力矩。插针穿过触觉传感器的反射镜和凝胶中心部位并刺出，在靠近皮肤表面时由气缸驱动加速，从而快速刺入皮肤，完成穿刺操作。本发明所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，可与CT活检定位技术相结合，通过外部形变实时感知穿刺过程中内部软组织的形变和移动，进而实时优化穿刺策略，提高穿刺精度，且结构简单、成本低，易于制作和推广。

Description

一种融合触觉感知的自动化穿刺机构
技术领域：
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种融合触觉感知的自动化穿刺机构。
背景技术：
穿刺活检手术，是利用穿刺针准确刺入病灶，获取目标病灶组织和细胞学等样本，以便得到病变的病理、免疫组化或基因学等诊断的一种微创性的操作技术。在临床上，仅仅依靠影像学的表现来判断疾病的良恶性容易出现误诊的情况。对于可疑癌症，也需要穿刺后的病理检测结果来明确癌症的细胞学分型、分化程度、以及分子靶向治疗的敏感程度等信息。
目前的引导穿刺方法主要有：1、超声引导下穿刺活检：操作灵活、定位简单，但是其深部病变定位困难，可取活检部位局限性大。2、X线引导下穿刺活检：所需设备要求低，但定位精确性稍差，而且操作者会接触射线，影响健康。3、CT引导下穿刺活检：相对于其他引导方式，CT影像可以更清晰的显示病灶的大小、外形以及位置关系，定位准确，创伤性更小，安全性更高。
因此，CT引导是目前多数医院应用较多的方法。病人直接在CT室进行手术，确定标记点后，再CT扫描验证，之后画线并徒手穿刺。虽然这种方法经济实惠、定位准确，可以及时CT扫描验证位置，但是成功穿刺且预防并发症的关键在于定位准确和熟练操作。由于手术者技术的差异，穿刺的实际效果的各不相同，加上CT并不能动态的观察进针情况，有时甚至会出现反复多次穿刺才能成功的情况，造成不必要的损伤，徒增病人痛苦。
发明内容：
针对现有技术的不足，本发明提供一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，运用触觉传感器和自动穿刺机构的结合，一方面使用力矩传感器检测插针所受力学数据，一方面使用触觉传感器感知外部形变，实现对穿刺过程的动态监控，从而可以实时优化穿刺策略，提高穿刺精度以及活检成功率，降低手术者的技术压力和经验要求。
本发明的技术方案为：
一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，包括触觉传感器和穿刺机构。其特征在于：所述触觉传感器1主要由相机18、框架19、凝胶弹性体20、RGB光源21、反射镜片22、反射层25和硅胶保护层26组成，固定于机构的前端，所述反射镜片22、凝胶弹性体20装于框架19内部，所述凝胶弹性体20表面涂有铝粉作反射层25，反射层表面覆盖硅胶保护层26，所述反射镜片22、框架19中心开小孔，插针17从孔位通过，于触觉传感器1中心部位穿出，所述RGB光源21环绕于框架19前部，所述相机18固定于框架19上部，所述RGB光源21采用绿、红、蓝三色光源环绕照明，所述穿刺机构主要由直线运动机构2、旋转运动机构3和气动加速机构4组成，直线运动机构2控制插针17的伸缩运动，旋转运动机构3控制插针17的旋转运动，气动加速机构4控制插针17的瞬间加速运动，距离传感器24安装在固定板7靠近丝杆马达6的后端，用来实时测量插针17移动的距离。
作为优选，直线运动机构2由丝杆马达6、固定板7、丝杆8、铝轴9、丝杆滑块10组成，其中，铝轴9对称分布于丝杆8的左右下方，通过丝杆滑块10两侧空槽，保持滑块移动时的稳定；旋转运动机构3由减速直流电机13、联轴器15、力矩传感器16、插针17组成，通过挂板14与气动加速机构4连接；气动加速机构4由气缸11、支撑架12组成。
作为优选，固定板7靠近触觉传感器1的前端设有限位块23，以避免旋转运动机构3固定板7发生机械干涉；支撑架12底部开方槽，挂板14部分伸入方槽，以此达到气缸11运动限位的目的。
作为优选，硅胶保护层26表面以及反射镜片22、框架19和凝胶弹性体20中心的孔洞均经过无菌处理。
作为优选，凝胶弹性体20与反射层25之间的表面标有黑点阵列作为位移场，通过黑点位置的变化分析凝胶弹性体表面所受的法向力和剪切力。
作为优选，触觉传感器1由相机18通过反射镜片22来拍摄物体与凝胶弹性体20表面的接触图像，再采用光度立体法重建接触面三维图像。
作为优选，丝杆8、插针17同向分布在机构中心线上，与触觉传感器1中的凝胶弹性体20的表面垂直。
作为优选，力矩传感器16用于在穿刺时收集插针17的力学数据，以获得过程中插针17的实时情况。
作为优选，融合触觉感知的自动化穿刺机构通过外壳5与机械臂28进行固连，由计算机控制机械臂28进而控制穿刺机构的在使用过程中的移动和位姿，机械臂28与穿刺机构固连后，与CT活检定位技术结合，于CT机27进行定位进针点后，机械臂移动靠近，进行自动穿刺，并在穿刺过程中与CT扫描实时配合。
作为优选，视觉检测相机29和光学跟踪相机30通过安装在CT机27和机械手28旁边，实时监测并确定进针点的位置，并反馈给总控制系统。
本发明的有益效果为：(1)利用触觉传感器实时感知体表的细微形变，从而判断内部软组织的位置移动，降低穿刺过程中的位置偏差，提高手术成功率。(2)利用力矩传感器监控插针所受的穿刺力学数据，有效增强穿刺手术的信息可视化程度，进而在面对特殊情况时可以及时采取措施，提高手术安全性。(3)可结合CT引导技术，完善CT扫描定位的不足，与智能机械臂结合，形成具有高准确性、高安全性的自动化穿刺系统，降低对手术者的要求，减少病人的痛苦。
附图说明：
图1是本发明所述融合触觉感知的自动化穿刺机构的结构示意图
图2是本发明一种实施方式的侧视图
图3是本发明只包含触觉传感器的侧面剖视图
图4是本发明在CT引导下的实施例示意图
图5是本发明气动加速机构限位装置局部放大图
图1中：1触觉传感器；2直线运动机构；3旋转运动机构；4气动加速机构
图2中：5外壳；6丝杆马达；7固定板；8丝杆；9铝轴；10丝杆滑块；11气缸；12支撑架；13减速直流电机；14挂板；15联轴器；16力矩传感器；17插针；18相机；19触觉传感器框架；20凝胶弹性体；21RGB光源；22反射镜片；23限位块；24距离传感器
图3中：25铝粉反射层；26硅胶保护层
图4中：27CT机；28机械手；29视觉检测相机；30光学跟踪相机
具体实施例：
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，一种融合触觉感知的的自动化穿刺机构，包括触觉传感器和穿刺机构。其中，触觉传感器1主要由相机18、框架19、凝胶弹性体20、RGB光源21和反射镜片22组成，固定于机构的前端。反射镜片22、凝胶弹性体20装于框架19内部，反射镜片22上有供插针通过的孔，RGB光源21环绕于框架19前部，相机18固定于框架19上部。另一部分，穿刺机构主要由直线运动机构2、旋转运动机构3和气动加速机构4组成。其中，直线运动机构2由丝杆马达6、丝杆8、铝轴9、丝杆滑块10组成，且铝轴9对称分布于丝杆8的左右下方，通过丝杆滑块10两侧空槽，保持滑块移动时的稳定。旋转运动机构3由减速直流电机13、联轴器15、力矩传感器16、插针17组成，通过挂板14与气动加速机构4连接；气动加速机构4由气缸11、支撑架12组成。插针17固定在力矩传感器16前端，减速直流电机13通过联轴器15与力矩传感器16连接，固定于挂板14上，挂板则固定在气缸11杆一端，气缸11安装在支撑架12之上，与丝杆滑块10配合，丝杆滑块10安装于丝杆8上并与丝杆马达6装配，固定于外壳5上。
如图3所示，触觉传感器1为GelSight触觉传感器，RGB光源21采用绿、红、蓝三色光源，凝胶弹性体20标记黑点作为位移场，涂抹铝粉作为反射层25，铝粉表面再覆盖一层硅胶保护层26。在物体接触触觉传感器1的凝胶后，其表面特征会在RGB光源21的照射下，于铝粉反射层上被相机18通过45度的反射镜片22拍摄到，之后采用光度立体法重建接触面三维图像，从而感知形变，并通过黑点位移场计算表面所受的力、滑移、硬度等多项信息。
穿刺机构部分，丝杆马达6、丝杆8通过控制丝杆滑块10来控制插针的伸缩运动。丝杆传动结构简单、成本低、可自锁、定位精度高，尤其适合该发明应用于医疗穿刺的用途。丝杆8的左右下方对称分布两根固定的铝轴9，通过丝杆滑块10两侧的空槽保持滑块移动时的稳定性。固定板7后端装有距离传感器24，用于监测穿刺过程中的实时进针长度。在靠近触觉传感器1的一段，固定板7上设有限位块23，用来避免穿刺机构的机械干涉问题，提高安全性。减速直流电机13、联轴器14和力矩传感器15则用来控制插针17的旋转运动。力矩传感器14可以实时收集插针17所受的穿刺力学信息，并通过分析来监控穿刺进程以及应对突发状况。减速直流电机13通过挂板与气缸11连接，并通过如图5的部位进行机械限位，使得气缸11工作范围受限，满足穿刺皮肤时的插针17加速。同时，插针17与丝杆8同向分布在机构整体的中心线上，垂直于触觉传感器1中的凝胶弹性体20，可通过反射镜片22、框架19中心的小孔，从传感器中心部位穿出。
具体实施例：CT引导下的穿刺活检手术，如图4，其工作原理如下。病人平躺在CT机27上，在病变部位用CT平扫，根据CT图像选择合适的层面，标记体表进针点。然后再次CT确定标记层面，使用计算机计算穿刺角度及深度。同时，视觉检测相机29和光学跟踪相机30实时监控和确定进针点位置，反馈给计算机控制系统。在病人体表消毒后，装有本发明的机械臂28在计算机的控制下靠近进针点，触觉传感器1的凝胶弹性体20表面与体表接触。当进针点位于凝胶弹性体20的中心时，丝杆马达6开始运转，带动丝杆8旋转，进而控制插针17直线运动，伸出并穿过触觉传感器1，刺入病灶部位。穿刺过程中，减速直流电机13运转，驱动插针17旋转，提高进针效率。且在插针17即将刺入皮肤表面时，气缸11工作，缸杆带动旋转运动机构2整体小距离加速伸出，使得插针17更容易刺入。穿刺期间，触觉传感器1时刻感知穿刺部位体表的细微形变，如乳腺癌穿刺中乳腺肿块的形变和移动，或者血管穿刺中血管的偏移，以避免因内部软组织的形变而导致穿刺的偏差，进一步提高穿刺精度，若监测到软组织的形变引起的偏差，可以在线实时更改进针策略。同时，力矩传感器16实时收集插针17在穿刺过程中所受的力、力矩等多项信息，判断插针17的进针状态，在数据明显异常时及时停止操作，保证病人的安全。穿刺过程中，固定板7上的距离传感器24可以实时显示进针量，限位块23则在避免机构本身机械干涉的同时，提高手术安全性。穿刺完成后，插针17收回，机械臂复位，医生获得所需组织或细胞样本，处理病人创口，手术结束。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，包括触觉传感器和穿刺机构，其特征在于：所述触觉传感器(1)主要由相机(18)、框架(19)、凝胶弹性体(20)、RGB光源(21)、反射镜片(22)、反射层(25)和硅胶保护层(26)组成，固定于机构的前端，所述反射镜片(22)、凝胶弹性体(20)装于框架(19)内部，所述凝胶弹性体(20)表面涂有铝粉作反射层(25)，反射层表面覆盖硅胶保护层(26)，所述反射镜片(22)、框架(19)中心开小孔，插针(17)从孔位通过，于触觉传感器(1)中心部位穿出，所述RGB光源(21)环绕于框架(19)前部，所述相机(18)固定于框架(19)上部，所述RGB光源(21)采用绿、红、蓝三色光源环绕照明，所述穿刺机构主要由直线运动机构(2)、旋转运动机构(3)和气动加速机构(4)组成，直线运动机构(2)控制插针(17)的伸缩运动，旋转运动机构(3)控制插针(17)的旋转运动，气动加速机构(4)控制插针(17)的瞬间加速运动，距离传感器(24)安装在固定板(7)靠近丝杆马达(6)的后端，用来实时测量插针(17)移动的距离。
2.根据权利要求1所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述直线运动机构(2)由丝杆马达(6)、固定板(7)、丝杆(8)、铝轴(9)、丝杆滑块(10)组成，其中，所述铝轴(9)对称分布于丝杆(8)的左右下方，通过丝杆滑块(10)两侧空槽，保持滑块移动时的稳定；所述旋转运动机构(3)由减速直流电机(13)、联轴器(15)、力矩传感器(16)、插针(17)组成，通过挂板(14)与气动加速机构(4)连接；所述气动加速机构(4)由气缸(11)、支撑架(12)组成。
3.根据权利要求2所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述固定板(7)靠近触觉传感器(1)的前端设有限位块(23)，以避免旋转运动机构(3)固定板(7)发生机械干涉；所述支撑架(12)底部开方槽，挂板(14)部分伸入方槽，以此达到气缸(11)运动限位的目的。
4.根据权利要求1所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述硅胶保护层(26)表面以及所述反射镜片(22)、框架(19)和凝胶弹性体(20)中心的孔洞均经过无菌处理。
5.根据权利要求1所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述凝胶弹性体(20)与反射层(25)之间的表面标有黑点阵列作为位移场，通过黑点位置的变化分析凝胶弹性体表面所受的法向力和剪切力。
6.根据权利要求1所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述触觉传感器(1)由相机(18)通过反射镜片(22)来拍摄物体与凝胶弹性体(20)表面的接触图像，再采用光度立体法重建接触面三维图像。
7.根据权利要求2所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述丝杆(8)、插针(17)同向分布在机构中心线上，与触觉传感器(1)中的凝胶弹性体(20)的表面垂直。
8.根据权利要求2所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述力矩传感器(16)用于在穿刺时收集插针(17)的力学数据，以获得过程中插针(17)的实时情况。
9.根据权利要求1所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：所述融合触觉感知的自动化穿刺机构通过外壳(5)与机械臂(28)进行固连，由计算机控制机械臂(28)进而控制穿刺机构的在使用过程中的移动和位姿，所述机械臂(28)与穿刺机构固连后，与CT活检定位技术结合，于CT机(27)进行定位进针点后，机械臂移动靠近，进行自动穿刺，并在穿刺过程中与CT扫描实时配合。
10.根据权利要求9所述的一种融合触觉感知的自动化穿刺机构，其特征在于：视觉检测相机(29)和光学跟踪相机(30)通过安装在CT机(27)和机械臂(28)旁边，实时监测并确定进针点的位置，并反馈给总控制系统。
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