CN116236288A - 一种微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型，微型穿刺机器人包括末端执行器即穿刺器械，位姿控制单元，深度控制单元；位姿控制单元用于调整穿刺器械所在的位置和位姿，深度控制单元带动其上的穿刺器械运动，从而完成穿刺任务；所述穿刺器械工作空间为平面，穿刺机器人通过位姿控制单元和深度控制单元来控制穿刺器械工作空间平面内的3个自由度；穿刺系统包括如权利要求1‑5任意一项所述的微型穿刺机器人，以及机械臂、超声系统、力反馈主手、台车；穿刺控制模型可应用于所述的穿刺系统。本发明可以同时解决现有的超声引导的穿刺过程中由于空间限制，超声探头和穿刺针需要分别操作导致的操作难度高、进针角度少、精度差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是微创手术机器人领域，具体涉及一种微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型，特别是一种超声引导的微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型。
背景技术
随着影像学与机器人技术的发展，超声引导机器人实施穿刺、介入成为新的微创诊断、治疗手段。在实时超声的监视或引导下，利用机器人持穿刺(介入器械)经皮、自然腔道等完成各种穿刺活检、植入、消融以及抽吸、插管、注药等操作，具有微创化、精准化与安全可靠的效果。目前，操作者手持超声进行穿刺介入时，超声的辅助穿刺手术设备通常称为穿刺引导架，结构简单，可调整的角度、位置自由度有限，位置姿态分辨率较低，且为手动控制。例如，常用的是在超声探头靠近皮肤一端安装一个穿刺针固定架，固定架一般设置有2-3个穿刺角度，操作者一只手手持超声探头给病人进行超声检查，另一只手根据超声图像进行穿刺针手术，或者需要两名操作者，一名操作者进行超声检查，另一名操作者进行穿刺手术。其难点与问题主要在于：首先，操作者需要一只手操作探头和另一只手操作穿刺针，对操作者的要求较高；其次，穿刺过程中容易因为人的生理因素等扰动产生操作误差；最后，由于穿刺针固定架只有有限的几个穿刺角度，不能找到最佳的穿刺角度进行穿刺。
随着精准微创医疗器械的发展，外科手术效果显著提升。精准穿刺是微创手术机器人的重要应用场景，在穿刺活检、消融、冷冻、粒子植入等微创治疗手术方式中，都需要术中根据医学影像的判断，将器械准确地植入到病灶部位，并稳定工作。在甲状腺、肝胆、肺、子宫、前列腺等肿瘤的诊断与治疗中，通常利用经皮穿刺来进行，在医学影像设备(B超、MRI和CT等)的引导下，将手术器械(例如穿刺针、活检针、消融针等)快速准确置入病人体内器官进行组织提取或消融治疗。这种手术具有创伤小、并发症少及术后恢复快的特点，是传统开放式手术的重大变革。而传统的穿刺介入手术主要依赖于操作者经验，操作者手持针插入体内，存在手术精度不高、术中医患双方受辐射、术后并发症多，还存在穿刺过程中定位不准、夹持不稳、路径规划困难等问题。
在已有的医学影像设备中，CT具备放射性，核磁操作复杂且要求磁共振材料兼容，操作复杂，难以实施：超声则具备实时、低成本等优势，是解决当前穿刺机器人实时引导的绝佳措施。一方面可以通过超声进行术中实时引导，另一方面可以将术中超声与术前CT或者核磁影像进行配准融合，利用多模态影像进行穿刺导航。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供了一种影像引导的微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型，该微型穿刺机器人能够附着在超声探头上，在超声引导的平面内，控制穿刺器械的进针点，并控制其穿刺位置、角度和深度；同时具备力反馈，操作者可以实时感受到超声检查和穿刺过程中力的大小，可以同时解决现有的超声引导的穿刺过程中由于空间限制，超声探头和穿刺针需要分别操作导致的操作难度高、进针角度少、精度差的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术手段：
一种微型穿刺机器人，包括末端执行器即穿刺器械，该机器人还包括位姿控制单元，深度控制单元两部分；所述的位姿控制单元用于调整穿刺器械所在的位置和位姿，所述的深度控制单元带动其上的穿刺器械运动，从而完成穿刺任务；所述穿刺器械工作空间为平面，穿刺机器人通过位姿控制单元和深度控制单元来控制穿刺器械工作空间平面内的3个自由度；
所述的位姿控制单元，包括两个直线作动驱动器与两个杆组成的两个球铰-直线-球铰机构，通过所述的两个直线作动驱动器的同时伸长或者缩短控制微型穿刺机器人轴向的位置；两个直线作动驱动器与其中的一个杆形成的两个球铰之间的距离不变；两个直线作动驱动器与另一个杆形成的两个球铰之间的距离不变；所述其中的一杆通过一个U型支撑与深度控制单元相连，通过两个直线作动驱动器伸缩量的不同，控制深度控制单元的平面内角度；在两个球铰的中点处，该U型支撑进一步通过一个轴承与一个第一滑块连接，约束与所述滑块相连的第一导轨的直线运动，并且U型支撑可绕垂直于微型穿刺机器人工作平面的旋转轴旋转；由此，深度控制单元仅可完成一个纵向平移运动与绕轴的旋转运动。
其中，所述的位姿控制单元的两个直线作动驱动器，即第一电机、第二电机；所述的两个杆，即第一轴、第二轴；所述的位子控制单元还包括第一带外球面的杆，第一带内球面的杆，外壳，第二带内球面的杆，第一底座，第二带外球面的杆，第三带外球面的杆，第三带内球面的杆，支撑块，第四带内球面的杆，第四带外球面的杆，短套筒，长套筒；所述的第一导轨与第一底座固定连接；所述的第一滑块与第一导轨配合，且第一滑块能在第一导轨的长度方向上前进和后退的滑动；所述的支撑块与第一滑块固连；所述的支撑块一端与轴承配合连接，轴承再与U型支撑的支撑轴配合；所述的第一电机两端分别与第一带内球面的杆、第二带内球面的杆固定连接，且第一带外球面的杆、第二带外球面的杆分别与所述的第一带内球面的杆、第二带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二电机两端分别与第四带内球面的杆、第三带内球面的杆固定连接，且第四带外球面的杆、第三带外球面的杆分别与所述的第四带内球面的杆、第三带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二带外球面的杆、第三带外球面的杆与所述的第二轴连接且同轴；所述的第二轴与所述的第一底座一端的安装位连接；所述的第一带外球面的杆、第四带外球面的杆、短套筒、长套筒与所述的第一轴连接且同轴心；所述的第一轴与所述的U型支撑连接；所述的U型支撑底部与轴承的孔配合连接，且U型支撑相对轴承是能相对转动的；所述的外壳与第一底座固定连接。
作为优选的，所述位姿控制单元的第一底座一端的安装位上，设计有安装槽和端面，限制第二带外球面的杆和第三带外球面的杆沿着第二轴的滑动。
作为优选的，所述位姿控制单元的第一带外球面的杆和第四带外球面的杆之间是有距离的，通过长套筒来约束；所述的第一带外球面的杆与所述的第一轴一端是有距离，通过短套筒来约束，所述的第四带外球面的杆与所述的第一轴另一端是有距离，通过短套筒来约束。
其中，所述的深度控制单元，包括第五带外球面的杆，针连接装置，第二导轨，第二滑块，第三轴，第五带内球面的杆，第一卡扣，第二底座，第三电机，第二卡扣；所述的第二底座与位姿控制单元的U型支撑固定连接；所述的第二导轨与第二底座固定连接，所述的第二滑块与第二导轨连接，且第二滑块能在第二导轨上滑动；所述的针连接装置与第二滑块固定连接，所述的第三电机其基座一端通过第一卡扣、第二卡扣与第二底座固定连接；所述的第三电机的电机输出轴与所述的第五带内球面的杆固定连接，且第五带外球面的杆与第五带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第五带外球面的杆与第三轴连接且同轴线；所述的第三轴与针连接装置另一端连接，且所述的第三轴的轴向运动通过紧定螺钉来限制约束。
本发明进一步提供一种穿刺系统，具体为一种超声引导的穿刺系统，其特征在于：穿刺系统包括如权利要求1-5任意一项所述的微型穿刺机器人，以及机械臂、超声系统、力反馈主手、台车；所述的微型穿刺机器人的末端具有3个自由度，用于安装不同的穿刺器械，其工作空间为平面，该平面与超声系统的成像平面共面；所述的机械臂具有6个及以上自由度，固定安装在所述的台车上，所述的超声系统包括体表超声探头或者腔内超声探头，超声探头通过六维力传感器固定安装在机械臂的末端，控制机械臂可使末端的超声探头到达指定部位，同时机械臂接收超声系统发送的目标或是力反馈主手发送的控制信息；所述的微型穿刺机器人固定安装在所述的超声系统的超声探头一侧。
其中，该穿刺系统还进一步包括光学定位设备、多个光学标记组及影像设备；第一光学标记组包括3个以上光学定位点，固定安装在超声探头或者微型穿刺机器人的第一底座上；第二光学标记组包括3个以上光学定位点，安装在拟穿刺靶目标上，该第二光学标记组既可以通过光学定位设备测量得到位置姿态，也可以被影像设备成像。
其中，所述的第一、第二光学标记组可被所述的光学定位设备测量到，通过测量第一光学标记组与第二光学标记组之间的位置参数，计算出相对坐标位置关系；通过影像设备测量第二光学标记组与拟穿刺靶目标的相对位置；通过坐标变换得到第一光学标记组与拟穿刺靶目标之间的相对位置，根据该相对位置，通过多模态影像自动引导穿刺控制方法实施自动穿刺。
其中，所述的多模态影像自动引导穿刺控制方法，包括：
S1、通过影像设备进行扫描，拟穿刺靶目标和第二光学标记组一起在影像设备上成像，对所得图像进行三维重建，获得术前影像；
S2、规划并得到拟穿刺靶目标相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T1，以及规划并得到超声探头在外表接触停靠点相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T5；超声探头在外表接触停靠点转换到光学定位设备坐标系下，坐标变换计算为(T2T5)；第一光学标记组反馈当前微型穿刺机器人的坐标变换矩阵T3；根据超声探头坐标系相对第一光学标记组的坐标变换矩阵T6，从而计算得到超声探头坐标系相对光学定位设备坐标系的坐标变换(T3T6)；得到超声探头在外表接触停靠点相对超声探头坐标系的坐标变换Tur＝(T3T6)-1(T2T5)；
S3、机械臂根据此坐标变换矩阵Tur，执行运动并使得超声探头运动到外表接触点，此时穿刺点、拟穿刺靶目标均位于超声探头成像平面内，并且拟穿刺靶目标在超声图像上进行成像；将此图像与所述S1得到的术前影像进行配准；
S4、通过超声引导的穿刺控制模型，微型穿刺机器人控制其三个电机，使得穿刺器械经过穿刺点到达拟穿刺靶目标，穿刺器械在穿刺过程中可被超声实时成像；在穿刺过程中，拟穿刺靶目标与开始时不一致时，微型穿刺机器人根据超声图像测量的实时位置，动态调整三个电机，使得目标被穿刺命中。
所述的穿刺控制模型，该模型设置的坐标系包括：超声图像坐标系O1：(X,Y)、超声探头坐标系O2：(xc,yc)和微型穿刺机器人坐标系O3：(x,y)，其中O1(u0,v0)为超声图像坐标系坐标原点，O2(x3,y3)为超声探头坐标系坐标原点，P1(x1,y1)为穿刺器械入针点，P2(x2,y2)为拟穿刺靶目标；上述O2，P1，P2坐标值均为O3坐标系下的坐标；
设第一电机在第一轴上的球铰中心为A点，在第二轴上的球铰中心为O点；第二电机在第一轴上的球铰中心为B点，在第二轴上的球铰中心为C点；设第一轴即AB的中点为D点，第二轴即OC的中点为G点，现以O点为原点，OC为y轴，垂直OC的方向为x轴建立坐标系，设位姿控制单元的第一电机即OA的长度为l1，第二电机即CB的长度为l2，设第三电机伸缩后长度l3；
则穿刺器械的正运动学几何模型为：
设第一轴AB与第二轴OC的长度均为d，连杆AB与基座竖直夹脚为θ，其中-90°<θ<90°，分别过点A、B向OC引垂线，垂足分别为I和H，再过点B向DG引垂线，垂足为E，过点D向AI引垂线，垂足为F，由几何关系可以得到：
从而有：
因此：
又因为：
设
则有/>
将(3)与(4)联立并代入k可得：
上式经过化简最终可化为关于k的一元三次方程：
求出上述一元三次方程的实数解k，则有
故而可以确定穿刺器械所在直线与基座中线的交点D的坐标：
在第一轴AB所在的直线上，以l2末端B为起点，取一段长度为l3的线段，则线段终点P2即穿刺器械末端的坐标即为正运动学的最终解：
其中l1大于l2，取“-”，否则取“+”。
其中，穿刺器械的逆运动学几何模型为：
给定拟穿刺靶目标点P2(x2,y2)和穿刺器械入针点P1(x1,y1)，能够确定位姿控制单元的第一、第二电机的长度l1，l2和深度控制单元的长度l3；
根据拟穿刺靶目标和穿刺器械入针点，计算出两点所确定的穿刺针路直线方程如下：
设直线与基座竖直夹脚为θ1，则：
在穿刺器械所在的直线上，以交点D为起点，向上和向下取两段长度为d/2的线段，则两线段的终点A和B即为对应的l1和l2的终点，A和B坐标如下式(12)，其中x2<x1时，“±”或者
取上面符号：
进而可以确定l1，l2和l3的长度：
其中x2<x1时，“±”或者
取上面符号。
本发明一种微型穿刺机器人、穿刺系统及穿刺控制模型，其优点及功效在于：穿刺系统利用一个机械臂搭建基于超声图像或者多模态影像实时引导的系统，凭借机械臂精度高、稳定性好的优势，可以定位超声探头到作业表面；借助力反馈主手，操作者可自主遥操作机械臂定位超声探头，并确定穿刺点和穿刺姿态，充分利用人机各自的优势，大大提高了穿刺的精准度，操作过程简单，大大简化穿刺手术的难度。基于超声检测的便捷、安全、无辐射的优点，利用超声图像的实时性，在穿刺系统中实时观测穿刺器械的针路，提高了整个穿刺过程的精准度、可控性和成功率；穿刺过程中可根据实时的超声图像对微型穿刺机器人先进行位姿调整，然后再执行进针，两者分开执行，互不干扰，提高了穿刺的准确度和可靠。微型穿刺机器人拥有三个自由度，具有灵活性较高的优点，在超声平面内可以精准而全面地覆盖工作平面内各个位置的病灶；穿刺过程中根据超声图像或者多模态影像实时检测病灶位置。基于控制模型，穿刺系统基于运动学模型给出穿刺机器人的相关参数，能够根据穿刺目标的位置，计算各个驱动作动器的伸缩量，从而实时靶向定位，进一步提高了穿刺过程的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本文实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本文的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1所示为一种超声引导的穿刺系统
图2所示为微型穿刺机器人整体结构图
图3(a)(b)所示为微型穿刺机器人的位姿控制单元
图4(a)(b)(c)所示为微型穿刺机器人的位姿控制单元运动示意图
图5所示为微型穿刺机器人的深度控制单元
图6所示为穿刺系统工作时的光学标记与各部件坐标系位置关系
图7所示为微型穿刺机器人在超声引导下穿刺时的坐标系位置关系
图8(a)(b)所示为微型穿刺机器人的正逆运动学几何模型
图中具体标号如下：
| 1-微型穿刺机器人 | 2-机械臂 |
| 3-超声系统 | 4-力反馈主手 |
| 5-台车 | 6-位姿控制单元 |
| 7-深度控制单元 | 8-U型支撑 |
| 9-第一轴 | 10-第一带外球面的杆 |
| 11-第一带内球面的杆 | 12-外壳 |
| 13-第一电机 | 14-第二带内球面的杆 |
| 15-第一底座 | 16-第二带外球面的杆 |
| 17-第二轴 | 18-第三带外球面的杆 |
| 19-第三带内球面的杆 | 20-第二电机 |
| 21-第一滑块 | 22-第一导轨 |
| 23-支撑块 | 24-轴承 |
| 25-第四带内球面的杆 | 26-第四带外球面的杆 |
| 27-短套筒 | 28-长套筒 |
| 29-第五带外球面的杆 | 30-针连接装置 |
| 31-穿刺针 | 32-第二导轨 |
| 33-第二滑块 | 34-第三轴 |
| 35-第五带内球面的杆 | 36-第一卡扣 |
| 37-第二底座 | 38-第三电机 |
| 39-第二卡扣 | 301-超声探头 |
具体实施方式
下面将结合本文实施例中的附图，对本文实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本文一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本文中的实施例，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，都属于本文保护的范围。
需要说明的是，本文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，以便这里描述的本文的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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、装置、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。
一种超声引导的穿刺系统，如图1所示，包括微型穿刺机器人1，机械臂2，超声系统3，力反馈主手4，台车5等。所述的机械臂2固定安装在所述的台车5上，所述的超声系统3包括体表超声探头或者腔内超声探头，超声探头301固定安装在机械臂2的末端，所述的微型穿刺机器人1固定安装在所述的超声系统3的超声探头一侧。作为优选的，超声探头301与机械臂1之间可进一步通过六维力传感器进行连接，所述的六维力传感器能够测量相连接两者之间的力与力矩，如ATI、宇立等六维力传感器。
微型穿刺机器人1的末端可以安装不同的穿刺器械(活检针、消融针、光纤等)，其工作空间为平面，该平面与超声探头的成像平面(体表超声的成像平面、经直肠或者阴道探头的矢状面探头、三维超声的任一平面)共面，穿刺机器人1可以通过由2个直线电机组成的1个位姿控制单元和1个深度控制单元来控制工作空间平面内的3个自由度。
所述机械臂2具有六个及以上自由度，固定安装于移动小车5上，超声探头安装于所述机械臂2的末端。控制机械臂可使末端的超声探头到达患者病灶所对应的部位，例如肝胆腹部体表、甲状腺体表、胸腹腔体表以及直肠内、阴道内，同时，机械臂可接收超声系统3发送的目标信息或者力反馈主手发送的控制信息对患者进行超声扫描、跟踪。
所述力反馈主手4是一个六自由度，具有力反馈功能，可无重力、低阻力自由拖拽的遥操作系统，如Omega系统，能够捕获人手的位置姿态，并施加给操作者一定的力反馈效果，该力反馈主手与所述机械臂2通过线路连接。操作者可以利用超声系统实时成像结果与实时直接观测或者监控相机观测，拖拽所述的力反馈主手4，实现对机械臂2的控制，对人体进行超声扫描和控制所述的微型穿刺机器人1调整位置和姿态，进而控制穿刺器械进行穿刺任务，操作者亦可以通过力反馈主手4实时感受到操作过程中力的大小，以防用力过大，伤到患者。
所述的微型穿刺机器人1，如图2所示，除必要的末端执行器(即穿刺器械)外，主要还包括1个位姿控制单元6，深度控制单元7等两部分。所述的位姿控制单元6用来调整穿刺器械(本实施例为穿刺针)所在的位置和位姿，所述的深度控制单元7带动其上的穿刺器械运动，从而完成穿刺任务。
所述的位姿控制单元6，如图3(a)、(b)所示，包括两个直线作动驱动器(即第一电机13和第二电机20)与两个杆(第一轴9和第二轴17)组成的两个球铰-直线-球铰(S-P-S)机构(图3(a))，通过所述的两个直线作动驱动器的同时伸长或者缩短控制微型穿刺机器人轴向的位置。两个直线作动驱动器与第一杆(第一轴9)分别形成的两个球铰(图3(a)的S1、S2，或者图8(a)的A和B点)之间的距离(h1)不变。两个直线作动驱动器与第二杆(第二轴17)分别形成的两个球铰(图3(a)的S3、S4，或图8(a)的C和O点)之间的距离(h2)不变。第一杆(第一轴9)通过U型支撑与深度控制单元7相连。通过两个直线作动驱动器伸缩量的不同，控制深度控制单元7的平面内角度。在两个球铰(S1、S2)的中点(M)处，U型支撑通过轴承24与滑块(第一滑块21)连接，约束与该滑块相连的导轨(第一导轨22)的直线运动，并且U型支撑可绕垂直于微型穿刺机器人工作平面的旋转轴(k)旋转。由此，深度控制单元7仅可完成一个纵向平移运动与绕轴(k)的旋转运动。
具体而言，所述的位姿控制单元6，主要由U型支撑8，第一轴9，第一带外球面的杆10，第一带内球面的杆11，外壳12，第一电机13，第二带内球面的杆14，第一底座15，第二带外球面的杆16，第二轴17，第三带外球面的杆18，第三带内球面的杆19，第二电机20，第一滑块21，第一导轨22，支撑块23，轴承24，第四带内球面的杆25，第四带外球面的杆26，短套筒27，长套筒28等组成。所述的第一导轨22设计有安装孔位，通过螺钉与设计有安装孔位的第一底座15固定连接；所述的第一滑块21与所述的第一导轨22配合，且第一滑块21能在第一导轨22的长度方向上前进和后退的滑动；所述的支撑块23设计有安装孔位，与设计有安装孔位的第一滑块21通过螺钉固定连接在一起，且支撑块23能跟随第一滑块21在第一导轨22上做前进和后退滑动；所述的支撑块23一端设计有安装孔位与轴承24配合连接，轴承24再与U型支撑8的支撑轴配合；所述的第一电机13为可伸缩电机，其两端分别通过螺纹与第一带内球面的杆11、第二带内球面的杆14固定连接，且第一带外球面的杆10、第二带外球面的杆16分别与所述的第一带内球面的杆11、第二带内球面的杆14形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二电机20为可伸缩电机，其两端分别通过螺纹与第四带内球面的杆25、第三带内球面的杆19固定连接，且第四带外球面的杆26、第三带外球面的杆18分别与所述的第四带内球面的杆25、第三带内球面的杆19形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二带外球面的杆16、第三带外球面的杆18与所述的第二轴17连接且同轴；所述的第二轴17与所述的第一底座15一端的安装位连接，且该安装位上设计有安装槽和端面(图3(b)的s1、s2、s3)，限制第二带外球面的杆16和第三带外球面的杆18沿着第二轴17的滑动；第二轴17两端通过螺栓限位。所述的第一带外球面的杆10、第四带外球面的杆26、短套筒27、长套筒28与所述的第一轴10连接且同轴心；且所述的第一带外球面的杆10和第四带外球面的杆26之间是有距离的，通过所述的长套筒来约束；所述的第一带外球面的杆10与所述的第一轴9一端是有距离，通过所述的短套筒来约束，所述的第四带外球面的杆26与所述的第一轴9另一端是有距离，通过所述的短套筒来约束；所述的第一轴9与所述的U型支撑8通过安装孔位连接，且通过紧定螺钉来限制所述的第一轴9的轴向移动；所述的U型支撑8底部通过轴与所述的轴承24的孔配合连接，且U型支撑8相对轴承24是能相对转动的；所述的外壳12与第一底座15均设计有安装孔位，通过螺栓固定连接。通过如上所述结构可知，当第一电机13和第二电机20同时沿所述电机的长度方向伸长或缩短时，所述的U型支撑8能沿着第一导轨22滑动方向进行前进和后退的直线运动，图4(a)-(b)；当第一电机13和第二电机20沿所述电机的长度方向伸长(引导穿刺器械穿过远端黑色实点)或缩短(引导穿刺器械穿过近端空心点)，且伸缩量不一样时，所述的U型支撑8能绕轴承24轴线相对第一底座偏转一定角度(同时斜线经过空心点、剖面点)，图4(b)-(c)。
所述的深度控制单元7，如图5所示，主要由第五带外球面的杆29，针连接装置30，穿刺针31，第二导轨32，第二滑块33，第三轴34，第五带内球面的杆35，第一卡扣36，第二底座37，第三电机38，第二卡扣39等组成。所述的第二底座37与位姿控制单元的U型支撑8通过螺栓固定连接；所述的第二导轨32通过螺钉与第二底座37固定连接，所述的第二滑块33与第二导轨32连接，且第二滑块33能在第二导轨32上滑动；所述的针连接装置30通过螺钉与第二滑块33固定连接，所述的穿刺针31与针连接装置30一端固定连接；所述的第三电机38为可伸缩电机，其基座一端通过第一卡扣36、第二卡扣39与所述第二底座37固定连接；所述的第三电机38的电机输出轴与所述的第五带内球面的杆35通过螺纹固定连接，且第五带外球面的杆29与第五带内球面的杆35形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第五带外球面的杆29与第三轴34连接且同轴线；所述的第三轴34与针连接装置30另一端连接，且所述的第三轴34的轴向运动通过紧定螺钉来限制约束；通过如上所述可知，第三电机34的电机轴伸长或者缩短运动，能带动所述穿刺针31做前进或者后退的运动，从而完成穿刺任务。
本发明进一步提供一种所述超声引导的穿刺系统的控制方法，具体为，在所述的微型穿刺机器人1的针连接装置30上安装穿刺针31，启动基于超声引导的穿刺系统，通过所述的力反馈主手4控制所述的机械臂2末端的超声探头，让末端超声探头到达所需部位，例如肝胆腹部体表、甲状腺体表、胸腹腔体表以及直肠内、阴道内。操作者可以通过超声系统获取实时超声图像，操作者根据实时超声图像，确定后勾勒选取或者自动识别病灶，确定为靶标。操作者或者通过力反馈主手遥控微型穿刺机器人1进行穿刺器械的位置和位姿调整，最后通过连接在深度控制单元上的穿刺针进针，完成穿刺手术；或者通过超声引导的穿刺控制模型实施自动穿刺。
所述一种超声引导的穿刺系统，还进一步包括光学定位设备、多个光学标记组及影像设备(CT、核磁等)。如图6，第一光学标记组包括3个以上光学定位点，固定安装在超声探头或者微型穿刺机器人的第一底座上；第二光学标记组包括3个以上光学定位点，安装在拟穿刺靶目标对应外表位置上，该第二光学标记组既可以通过光学定位设备测量得到位置姿态，也可以被影像设备成像。第一、二光学标记组可被所述的光学定位设备测量到，通过测量第一与第二光学标记组之间的位置参数，可以计算出相对的坐标位置关系。通过影像设备测量第二光学标记组与待穿刺的靶目标的相对位置。从而，通过坐标变换得到第一光学标记组与靶目标之间的相对位置，据此相对位置，通过多模态影像自动引导穿刺控制方法实施自动穿刺。
所述多模态影像自动引导穿刺控制方法：通过(CT、核磁等)影像设备进行扫描，拟穿刺靶目标和第二光学标记组一起在影像设备上成像，对所得图像进行三维重建，获得术前影像，规划并得到拟穿刺靶目标相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T1，以及规划并得到超声探头在外表接触停靠点相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T5。超声探头在外表接触停靠点转换到光学定位设备坐标系下，坐标变换计算为(T2T5)。第一光学标记组反馈当前微型穿刺机器人的坐标变换矩阵T3，由光学定位设备测量得到。根据超声探头坐标系相对第一光学标记组的坐标变换矩阵T6，从而计算得到超声探头坐标系相对光学定位设备坐标系的坐标变换为(T3T6)。继而，得到超声探头在外表接触停靠点相对超声探头坐标系的坐标变换Tur＝(T3T6)-1(T2T5)。机械臂根据此坐标变换矩阵Tur，执行运动并使得超声探头运动到外表接触点，此时穿刺点(图7中P1点)、拟穿刺靶目标(图7中P2点)均位于超声探头成像平面内，并且拟穿刺靶目标在超声图像上进行成像，即为术中影像。将术前影像(CT、核磁等)与术中的超声图像进行配准。通过超声引导的穿刺控制模型，微型穿刺机器人控制其三个电机，使得穿刺器械经过穿刺点到达拟穿刺靶目标，穿刺器械在穿刺过程中可被超声实时成像。在穿刺过程中，拟穿刺靶目标与开始时不一致时，微型穿刺机器人根据超声图像测量的实时位置，动态调整三个电机，使得目标被穿刺命中。上述齐次坐标变换矩阵T＝[R3×3,t1×3；0 0 0 1]4×3，R3×3为三维空间旋转矩阵，t1×3为三维空间位移向量。
所述的通过超声引导的穿刺控制模型，该模型设置的坐标系包括：超声图像坐标系O1：(X,Y)、超声探头坐标系O2：(xc,yc)和微型穿刺机器人坐标系O3：(x,y)，各个坐标系之间的位置关系如图7所示。
其中O1(u0,v0)为超声图像坐标系坐标原点，O2(x3,y3)为超声探头坐标系坐标原点，P1(x1,y1)为穿刺器械入针点，P2(x2,y2)为拟穿刺靶目标。上述O2，P1，P2坐标值均为O3坐标系下的坐标。各坐标系的转换关系如下：
(1)超声探头坐标系→微型穿刺机器人坐标系：
二者的转换关系可以通过平移和旋转来实现，设两坐标系之间的旋转角为ρ(例如yc轴相对y轴偏转角度)，则超声探头坐标系中某一点(xc,yc)在微型穿刺机器人坐标系坐标(x,y)关系如下：
(2)超声图像坐标系→超声探头坐标系：
由于超声探头的成像结果均为平面，像素坐标系通过数字化变换可以转化为图像坐标系。在二者的转化关系中，只有原点的平移和坐标系的尺度变换。故可假设超声成像结果由拍摄目标的比例缩放得到，设比例系数为k3,k4，则某一点在两坐标系内的坐标关系如下：
将上述式(1)(2)联立整理后，将超声图像坐标系下的拟穿刺靶目标P2在超声图像中的成像点(X,Y)＝(u,v)转换到微型穿刺机器人坐标系P(x,y)。
穿刺过程中，设置穿刺器械入针点在机器人坐标系下的坐标为P1(x1,y1)。超声图像检测到的拟穿刺目标P2在超声影像中的坐标为(u,v)＝(u2,v2)，根据公式(3)可确定其在机器人坐标系下的坐标为(x2,y2)。
基于以上推论，可以建立穿刺机器人的正逆运动学模型，设第一电机13在第一轴9上的球铰中心为A点，在第二轴17上的球铰中心为O点；第二电机20在第一轴9上的球铰中心为B点，在第二轴17上的球铰中心为C点。设第一轴9(即AB)的中点为D点，第二轴(即OC)的中点为G点，现以O点为原点，OC为y轴，垂直OC的方向为x轴建立坐标系，设位姿控制单元的第一电机13(即OA)的长度为l1，第二电机20(即CB)的长度为l2，设第三电机深度控制单元考虑伸缩量的长度l3。穿刺器械的正逆运动学几何模型如图8(a)(b)所示，对其正逆运动学进行设计：
1)正运动学
如图8(a)所示，给定位姿控制单元的第一、第二电机伸缩后距离OA和BC的长度分别为l1和l2。第三电机伸缩后长度l3，能够确定穿刺器械末端P2的坐标位置。
由于穿刺机器人的伸缩电机部分为球铰四杆机构(两个电机、第一轴、第二轴构成“四杆”；四组带内球面和外球面的杆组成“球铰”)，第一轴9通过与U型支撑8、支撑块23与第一滑块21形成绕D点轴线的转动副连接，而第一滑块21套在第一导轨22上，第一导轨22固定于外壳中央，因此第一轴9在电机伸缩作用下，其中点D始终在导轨22所在的直线DG上。
设第一轴AB与第二轴OC的长度均为d，连杆AB与基座竖直夹脚为θ，其中-90°<θ<90°，分别过点A、B向OC引垂线，垂足分别为I和H，再过点B向DG引垂线，垂足为E，过点D向AI引垂线，垂足为F，由几何关系可以得到：
从而有：
因此：
又因为：
设
则有/>
将(3)与(4)联立并代入k可得：
上式经过化简最终可化为关于k的一元三次方程：
求出上述一元三次方程的实数解k，则有
故而可以确定穿刺器械所在直线与基座中线的交点D的坐标：
在第一轴AB所在的直线上，以l2末端B为起点，取一段长度为l3的线段，则线段终点P2(即穿刺器械末端)的坐标即为正运动学的最终解(l1大于l2，取“-”，否则取“+”)：
2)逆运动学
如图8(b)所示，给定拟穿刺靶目标点P2(x2,y2)和穿刺器械入针点P1(x1,y1)，能够确定位姿控制单元的第一、第二电机的长度l1，l2和深度控制单元的长度l3。
根据拟穿刺靶目标和穿刺器械入针点，可以计算出两点所确定的穿刺针路直线方程如下：
设直线与基座竖直夹脚为θ1(l1大于l2，取“+”，否则取“-”)，则：
令y＝d/2，即可求出穿刺器械所在直线与基座中线的交点D的坐标：
在穿刺器械所在的直线上，以交点D为起点，向上和向下取两段长度为d/2的线段，则两线段的终点A和B即为对应的l1和l2的终点，A和B坐标(x2<x1时，“±”或者
取上面符号)如下：
进而可以确定l1，l2和l3的长度(x2<x1时，“±”或者
取上面符号)：/>
需要说明的是，本申请所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前、后、内、外、侧面等，仅是参考附图的方向。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。同时，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以上各实施方式的种种变化和修改，也可以在不脱离由本申请权利要求所限定的保护范围的情况下被做出和实现。
本文中应用了具体实施例对本文的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本文的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本文的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本文的限制。
Claims (11)
1.一种微型穿刺机器人，包括末端执行器即穿刺器械，其特征在于：该机器人还包括位姿控制单元，深度控制单元两部分；所述的位姿控制单元用于调整穿刺器械所在的位置和位姿，所述的深度控制单元带动其上的穿刺器械运动，从而完成穿刺任务；所述穿刺器械工作空间为平面，穿刺机器人通过位姿控制单元和深度控制单元来控制穿刺器械工作空间平面内的3个自由度；
所述的位姿控制单元，包括两个直线作动驱动器与两个杆组成的两个球铰-直线-球铰机构，通过所述的两个直线作动驱动器的同时伸长或者缩短控制微型穿刺机器人轴向的位置；两个直线作动驱动器与其中的一个杆形成的两个球铰之间的距离不变；两个直线作动驱动器与另一个杆形成的两个球铰之间的距离不变；所述其中的一杆通过一个U型支撑与深度控制单元相连，通过两个直线作动驱动器伸缩量的不同，控制深度控制单元的平面内角度；在两个球铰的中点处，该U型支撑进一步通过一个轴承与一个第一滑块连接，约束与所述滑块相连的第一导轨的直线运动，并且U型支撑可绕垂直于微型穿刺机器人工作平面的旋转轴旋转；由此，深度控制单元仅可完成一个纵向平移运动与绕轴的旋转运动。
2.根据权利要求1一种微型穿刺机器人，其特征在于：所述的位姿控制单元的两个直线作动驱动器，即第一电机、第二电机；所述的两个杆，即第一轴、第二轴；所述的位子控制单元还包括第一带外球面的杆，第一带内球面的杆，外壳，第二带内球面的杆，第一底座，第二带外球面的杆，第三带外球面的杆，第三带内球面的杆，支撑块，第四带内球面的杆，第四带外球面的杆，短套筒，长套筒；
所述的第一导轨与第一底座固定连接；所述的第一滑块与第一导轨配合，且第一滑块能在第一导轨的长度方向上前进和后退的滑动；所述的支撑块与第一滑块固连；所述的支撑块一端与轴承配合连接，轴承再与U型支撑的支撑轴配合；所述的第一电机两端分别与第一带内球面的杆、第二带内球面的杆固定连接，且第一带外球面的杆、第二带外球面的杆分别与所述的第一带内球面的杆、第二带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二电机两端分别与第四带内球面的杆、第三带内球面的杆固定连接，且第四带外球面的杆、第三带外球面的杆分别与所述的第四带内球面的杆、第三带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第二带外球面的杆、第三带外球面的杆与所述的第二轴连接且同轴；所述的第二轴与所述的第一底座一端的安装位连接；所述的第一带外球面的杆、第四带外球面的杆、短套筒、长套筒与所述的第一轴连接且同轴心；所述的第一轴与所述的U型支撑连接；所述的U型支撑底部与轴承的孔配合连接，且U型支撑相对轴承是能相对转动的；所述的外壳与第一底座固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种微型穿刺机器人，其特征在于：所述位姿控制单元的第一底座一端的安装位上，设计有安装槽和端面，限制第二带外球面的杆和第三带外球面的杆沿着第二轴的滑动。
4.根据权利要求2所述的一种微型穿刺机器人，其特征在于：所述位姿控制单元的第一带外球面的杆和第四带外球面的杆之间是有距离的，通过长套筒来约束；所述的第一带外球面的杆与所述的第一轴一端是有距离，通过短套筒来约束，所述的第四带外球面的杆与所述的第一轴另一端是有距离，通过短套筒来约束。
5.根据权利要求1一种微型穿刺机器人，其特征在于：所述的深度控制单元，包括第五带外球面的杆，针连接装置，第二导轨，第二滑块，第三轴，第五带内球面的杆，第一卡扣，第二底座，第三电机，第二卡扣；
所述的第二底座与位姿控制单元的U型支撑固定连接；所述的第二导轨与第二底座固定连接，所述的第二滑块与第二导轨连接，且第二滑块能在第二导轨上滑动；所述的针连接装置与第二滑块固定连接，所述的第三电机其基座一端通过第一卡扣、第二卡扣与第二底座固定连接；所述的第三电机的电机输出轴与所述的第五带内球面的杆固定连接，且第五带外球面的杆与第五带内球面的杆形成球铰连接，形成球面运动副；所述的第五带外球面的杆与第三轴连接且同轴线；所述的第三轴与针连接装置另一端连接，且所述的第三轴的轴向运动通过紧定螺钉来限制约束。
6.一种穿刺系统，具体为一种超声引导的穿刺系统，其特征在于：穿刺系统包括如权利要求1-5任意一项所述的微型穿刺机器人，以及机械臂、超声系统、力反馈主手、台车；所述的微型穿刺机器人的末端具有3个自由度，用于安装不同的穿刺器械，其工作空间为平面，该平面与超声系统的成像平面共面；所述的机械臂具有6个及以上自由度，固定安装在所述的台车上，所述的超声系统包括体表超声探头或者腔内超声探头，超声探头通过六维力传感器固定安装在机械臂的末端，控制机械臂可使末端的超声探头到达指定部位，同时机械臂接收超声系统发送的目标或是力反馈主手发送的控制信息；所述的微型穿刺机器人固定安装在所述的超声系统的超声探头一侧。
7.根据权利要求6所述的一种穿刺系统，其特征在于：该穿刺系统还进一步包括光学定位设备、多个光学标记组及影像设备；第一光学标记组包括3个以上光学定位点，固定安装在超声探头或者微型穿刺机器人的第一底座上；第二光学标记组包括3个以上光学定位点，安装在拟穿刺靶目标上，该第二光学标记组既可以通过光学定位设备测量得到位置姿态，也可以被影像设备成像。
8.根据权利要求7所述的一种穿刺系统，其特征在于：所述的第一、第二光学标记组可被所述的光学定位设备测量到，通过测量第一光学标记组与第二光学标记组之间的位置参数，计算出相对坐标位置关系；通过影像设备测量第二光学标记组与拟穿刺靶目标的相对位置；通过坐标变换得到第一光学标记组与拟穿刺靶目标之间的相对位置，根据该相对位置，通过多模态影像自动引导穿刺控制方法实施自动穿刺。
9.根据权利要求8所述的一种穿刺系统，其特征在于：所述的多模态影像自动引导穿刺控制方法，
S1、通过影像设备进行扫描，拟穿刺靶目标和第二光学标记组一起在影像设备上成像，对所得图像进行三维重建，获得术前影像；
S2、规划并得到拟穿刺靶目标相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T1，以及规划并得到超声探头在外表接触停靠点相对第二光学标记组坐标系的坐标变换矩阵T5；超声探头在外表接触停靠点转换到光学定位设备坐标系下，坐标变换计算为(T2T5)；第一光学标记组反馈当前微型穿刺机器人的坐标变换矩阵T3；根据超声探头坐标系相对第一光学标记组的坐标变换矩阵T6，从而计算得到超声探头坐标系相对光学定位设备坐标系的坐标变换(T3T6)；得到超声探头在外表接触停靠点相对超声探头坐标系的坐标变换Tur＝(T3T6)-1(T2T5)；
S3、机械臂根据此坐标变换矩阵Tur，执行运动并使得超声探头运动到外表接触点，此时穿刺点、拟穿刺靶目标均位于超声探头成像平面内，并且拟穿刺靶目标在超声图像上进行成像；将此图像与所述S1得到的术前影像进行配准；
S4、通过超声引导的穿刺控制模型，微型穿刺机器人控制其三个电机，使得穿刺器械经过穿刺点到达拟穿刺靶目标，穿刺器械在穿刺过程中可被超声实时成像；在穿刺过程中，拟穿刺靶目标与开始时不一致时，微型穿刺机器人根据超声图像测量的实时位置，动态调整三个电机，使得目标被穿刺命中。
10.一种穿刺控制模型，可应用于权利要求9所述的穿刺系统中，其特征在于：该模型设置的坐标系包括：超声图像坐标系O1：(X,Y)、超声探头坐标系O2：(xc,yc)和微型穿刺机器人坐标系O3：(x,y)，其中O1(u0,v0)为超声图像坐标系坐标原点，O2(x3,y3)为超声探头坐标系坐标原点，P1(x1,y1)为穿刺器械入针点，P2(x2,y2)为拟穿刺靶目标；上述O2，P1，P2坐标值均为O3坐标系下的坐标；
设第一电机在第一轴上的球铰中心为A点，在第二轴上的球铰中心为O点；第二电机在第一轴上的球铰中心为B点，在第二轴上的球铰中心为C点；设第一轴即AB的中点为D点，第二轴即OC的中点为G点，现以O点为原点，OC为y轴，垂直OC的方向为x轴建立坐标系，设位姿控制单元的第一电机即OA的长度为l1，第二电机即CB的长度为l2，设第三电机伸缩后长度l3；
则穿刺器械的正运动学几何模型为：
设第一轴AB与第二轴OC的长度均为d，连杆AB与基座竖直夹脚为θ，其中-90°<θ<90°，分别过点A、B向OC引垂线，垂足分别为I和H，再过点B向DG引垂线，垂足为E，过点D向AI引垂线，垂足为F，由几何关系可以得到：
从而有：
因此：
又因为：
设
则有/>
将(3)与(4)联立并代入k可得：
上式经过化简最终可化为关于k的一元三次方程：
求出上述一元三次方程的实数解k，则有
故而可以确定穿刺器械所在直线与基座中线的交点D的坐标：
在第一轴AB所在的直线上，以l2末端B为起点，取一段长度为l3的线段，则线段终点P2即穿刺器械末端的坐标即为正运动学的最终解：
其中l1大于l2，取“-”，否则取“+”。
11.一种穿刺控制模型，可应用于权利要求9所述的穿刺系统中，其特征在于：该模型设置的坐标系包括：超声图像坐标系O1：(X,Y)、超声探头坐标系O2：(xc,yc)和微型穿刺机器人坐标系O3：(x,y)，其中O1(u0,v0)为超声图像坐标系坐标原点，O2(x3,y3)为超声探头坐标系坐标原点，P1(x1,y1)为穿刺器械入针点，P2(x2,y2)为拟穿刺靶目标；上述O2，P1，P2坐标值均为O3坐标系下的坐标；
设第一电机在第一轴上的球铰中心为A点，在第二轴上的球铰中心为O点；第二电机在第一轴上的球铰中心为B点，在第二轴上的球铰中心为C点；设第一轴9即AB的中点为D点，第二轴即OC的中点为G点，现以O点为原点，OC为y轴，垂直OC的方向为x轴建立坐标系，设位姿控制单元的第一电机即OA的长度为l1，第二电机即CB的长度为l2；
则穿刺器械的逆运动学几何模型为：
给定拟穿刺靶目标点P2(x2,y2)和穿刺器械入针点P1(x1,y1)，能够确定位姿控制单元的第一、第二电机的长度l1，l2和深度控制单元的长度l3；
根据拟穿刺靶目标和穿刺器械入针点，计算出两点所确定的穿刺针路直线方程如下：
设直线与基座竖直夹脚为θ1，则：
令y＝d/2，即可求出穿刺器械所在直线与基座中线的交点D的坐标：
在穿刺器械所在的直线上，以交点D为起点，向上和向下取两段长度为d/2的线段，则两线段的终点A和B即为对应的l1和l2的终点，A和B坐标如下式(12)，其中x2<x1时，“±”或者
取上面符号：/>
进而可以确定l1，l2和l3的长度：
其中x2<x1时，“±”或者
取上面符号。/>
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