CN211214945U - 靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及医疗器械领域，具体是靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，包括：运动学解算系统、机器人底层驱动控制系统、机器人单元、数据采集传感模块，其具体使用步骤如下：S1：肝脏变形阶段；S2：肝脏被摸刺破阶段；S3：穿刺针进入肝脏内部阶段；S4：穿刺针退针阶段；通过多个系统以及模块配合实现自动穿刺机器人，通过安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器及采集发力信息的超声探头实现在穿刺过程中对力信息的感知，靠机器人事先设定的固定程序工作，提高了穿刺机器人控制系统过程持续操作的精准性和安全性，减少劳动力支出。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗器械领域，具体是靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统。
背景技术
据2018年癌症报告统计，中国每年新发癌症病例429万，占全球20％，死亡 281万例。近距离放射性治疗适用于治疗泌尿生殖系统肿瘤、腹部肿瘤、消化系统肿瘤以及颅内肿瘤。临床该类手术通过腺体腔道作为手术入路，医生手持粒子植入器械经过导向模板到表皮，以表皮作为入口，刺破腺体硬膜，最后抵达肿瘤腺体靶区进行局部精准放射。通过大量临床手术评估，证实了该类手术靶向性强、创伤小、疗效快、副作用少等优势。当前国内外的粒子植入器多为医生手动进行，依赖于医生的临床经验，使得粒子植入的准确度具有不确定性。同时医生的疲劳和抖动使得手术时间变长，还有可能对患者造成一定的伤害。由于手术入路由表皮、肌肉、脂肪、包膜、腺体细胞组织以及周围血管、神经、骨组织等构成，生物力学特性复杂，因此需要对介入器械进行精准操控。Podder 等研究了一种多通道图像导航前列腺粒子植入机器人系统，利用光学编码器实时反馈伺服电机角位移，结合PID控制方法实现单个线性关节的闭环位置控制。 Joseph等人研究了一种形状记忆合金的柔性针穿刺定位控制系统，利用电磁跟踪仪实时跟踪针尖位置，结合非线性PID-P3控制算法对针尖位置进行闭环位置控制。解明杨研究了机器人光摄细胞手术操作系统，提出了饱和的PID控制策路实现细胞位置精确控制。现有粒子植入机器人系统旨在提供机器人末端的定位精度，但尚未与现有的力学临床传感再现以及针软组安全交互时进针策略技术结合，现有的自动穿刺机器人存在穿刺过程力感知信息不足、大多靠人事先设定的固定程序工作，这对现有穿刺机器人控制系统的过程持续操作的精准性和安全性，提出重大挑战。
发明内容
为了解决上述问题，本实用新型提出靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统。
靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，包括：
运动学解算系统，主要用于图像的显示，为医生提供规划监察手术过程和操作机器人的界面，提供机器人运动学的解算；
机器人底层驱动控制系统，主要进行图像处理将处理数据发送给运动学解算系统，根据使用者的需求并发送指令，从而控制机器人的工作状态；
机器人单元，主要通过电机工作，并在工作中通过编码器和超声波探头收集、发送数据；
数据采集传感模块，通过机器人底层驱动控制系统将机器人单元的数据转化并传送至运动学解算系统中。
所述的运动学解算系统包括运动学解算软件、设置在上位机上的软件控制系统、由上位机的软件控制系统或工作者进行操作的操作手柄、用于处理数据的工控机、与工控机配合进行图像转换的图像显示系统、与工控机通过PLC总线相连进行数据交换的数据采集器。
所述的机器人底层驱动控制系统包括通过USB与运动学解算系统中的工控机相连进行数据交换的控制柜、对数据采集传感模块采集的数据进行图像处理的图像处理系统。
所述的控制柜包括接线端子、发送指令来控制电机工作的电机驱动器、工作者或软件控制系统通过工控机发送指令的运动控制器、通过接线端子给电机驱动器和运动控制器提供工作电源的电源。
所述的机器人单元包括电机、与电机配合可单独强制关闭电机以应对突发状况的限位开关、设置在电机上用于穿刺进行粒子注射的穿刺针。
所述的数据采集传感模块包括将电机驱动器末端工作产生的角位移、直线位移转换成电信号并传送到运动学解算系统中的编码器、安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器、采集发力信息的超声探头。
所述的数据采集传感模块的超声波探头发送来的数据处理好后传送给运动学解算系统系统的数据采集器。
利用靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统的方法，其具体步骤如下：
S1：肝脏变形阶段：采取快速进针速度25mm/s+高速旋转1800rpm组合进针策略，这种进针方式减少穿刺过程的硬度力和软组织变形；
S2：肝脏被摸刺破阶段：在刺破瞬间穿刺力会存在力陡降点，通过一维时间序列穿刺力突变点检测算法找到刺破被摸时的时间点，然后暂停进针0.5s，主要是等待软组织恢复一部分变形；
S3：穿刺针进入肝脏内部阶段：等暂停0.5s结束后。此时，将进针速度减小为1.5mm/s，关闭旋转穿刺，开启振动穿刺频率700Hz、振幅25μm；这种进针方式减小了针体旋转对软组织重复性创伤，采用较低速度的振动进针也可以减少穿刺过程中的摩擦力，从而减小软组织的变形；
S4：穿刺针退针阶段：关闭振动，暂停0.5s，等组织恢复部分形变，按1.5mm/S 匀速退针；按这种匀低速的退针方式可以减少退针过程中的摩擦力，减小穿刺针对软组织重复性创伤。
本实用新型的有益效果是：通过多个系统以及模块配合实现自动穿刺机器人，通过安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器及采集发力信息的超声探头实现在穿刺过程中对力信息的感知，靠机器人事先设定的固定程序工作，提高了穿刺机器人控制系统过程持续操作的精准性和安全性，减少劳动力支出。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为本实用新型的系统结构框图；
图2为本实用新型的方法流程结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本实用新型进一步阐述。
如图1和图2所示，靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，包括：
运动学解算系统，主要用于图像的显示，为医生提供规划监察手术过程和操作机器人的界面，提供机器人运动学的解算；
机器人底层驱动控制系统，主要进行图像处理将处理数据发送给运动学解算系统，根据使用者的需求并发送指令，从而控制机器人的工作状态；
机器人单元，主要通过电机工作，并在工作中通过编码器和超声波探头收集、发送数据；
数据采集传感模块，通过机器人底层驱动控制系统将机器人单元的数据转化并传送至运动学解算系统中。
所述的运动学解算系统包括运动学解算软件、设置在上位机上的软件控制系统、由上位机的软件控制系统或工作者进行操作的操作手柄、用于处理数据的工控机、与工控机配合进行图像转换的图像显示系统、与工控机通过PLC总线相连进行数据交换的数据采集器。
由数据采集器从机器人单元得到的数据在工控机上转换成图像显示，由运动学解算器、软件控制系统或工作者操作手柄给工控机发送工作指令。
通过限位开关连接机器人底层驱动控制系统中的接线端子，从而下位机系统中的控制运动控制器和电机驱动器的电源开关，机器人底层驱动控制系统中的电机驱动器发送指令来控制电机工作。
所述的机器人底层驱动控制系统包括通过USB与运动学解算系统中的工控机相连进行数据交换的控制柜、对数据采集传感模块采集的数据进行图像处理的图像处理系统。
所述的控制柜包括接线端子、发送指令来控制电机工作的电机驱动器、工作者或软件控制系统通过工控机发送指令的运动控制器、通过接线端子给电机驱动器和运动控制器提供工作电源的电源。
通过多个系统以及模块配合实现自动穿刺机器人，通过安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器及采集发力信息的超声探头实现在穿刺过程中对力信息的感知，靠机器人事先设定的固定程序工作，提高了穿刺机器人控制系统过程持续操作的精准性和安全性，减少劳动力支出。
所述的机器人单元包括电机、与电机配合可单独强制关闭电机以应对突发状况的限位开关、设置在电机上用于穿刺进行粒子注射的穿刺针。
所述的数据采集传感模块包括将电机驱动器末端工作产生的角位移、直线位移转换成电信号并传送到运动学解算系统中的编码器、安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器、采集发力信息的超声探头。
所述的超声探头通过机器人底层驱动控制系统中的图像处理系统将机器人单元的的数据转化为图像传送到工控机中。
所述的数据采集传感模块的超声波探头发送来的数据处理好后传送给运动学解算系统系统的数据采集器。
利用靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统的方法，其具体步骤如下：
S1：肝脏变形阶段：采取快速进针速度25mm/s+高速旋转1800rpm组合进针策略，这种进针方式减少穿刺过程的硬度力和软组织变形；
S2：肝脏被摸刺破阶段：在刺破瞬间穿刺力会存在力陡降点，通过一维时间序列穿刺力突变点检测算法找到刺破被摸时的时间点，然后暂停进针0.5s，主要是等待软组织恢复一部分变形；
S3：穿刺针进入肝脏内部阶段：等暂停0.5s结束后。此时，将进针速度减小为1.5mm/s，关闭旋转穿刺，开启振动穿刺频率700Hz、振幅25μm；这种进针方式减小了针体旋转对软组织重复性创伤，采用较低速度的振动进针也可以减少穿刺过程中的摩擦力，从而减小软组织的变形；
S4：穿刺针退针阶段：关闭振动，暂停0.5s，等组织恢复部分形变，按1.5mm/S 匀速退针；按这种匀低速的退针方式可以减少退针过程中的摩擦力，减小穿刺针对软组织重复性创伤。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：包括：
运动学解算系统，主要用于图像的显示，为医生提供规划监察手术过程和操作机器人的界面，提供机器人运动学的解算；
机器人底层驱动控制系统，主要进行图像处理将处理数据发送给运动学解算系统，根据使用者的需求并发送指令，从而控制机器人的工作状态；
机器人单元，主要通过电机工作，并在工作中通过编码器和超声波探头收集、发送数据；
数据采集传感模块，通过机器人底层驱动控制系统将机器人单元的数据转化并传送至运动学解算系统中。
2.根据权利要求1所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的运动学解算系统包括运动学解算软件、设置在上位机上的软件控制系统、由上位机的软件控制系统或工作者进行操作的操作手柄、用于处理数据的工控机、与工控机配合进行图像转换的图像显示系统、与工控机通过PLC总线相连进行数据交换的数据采集器。
3.根据权利要求2所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的机器人底层驱动控制系统包括通过USB与运动学解算系统中的工控机相连进行数据交换的控制柜、对数据采集传感模块采集的数据进行图像处理的图像处理系统。
4.根据权利要求3所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的控制柜包括接线端子、发送指令来控制电机工作的电机驱动器、工作者或软件控制系统通过工控机发送指令的运动控制器、通过接线端子给电机驱动器和运动控制器提供工作电源的电源。
5.根据权利要求1所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的机器人单元包括电机、与电机配合可单独强制关闭电机以应对突发状况的限位开关、设置在电机上用于穿刺进行粒子注射的穿刺针。
6.根据权利要求4所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的数据采集传感模块包括将电机驱动器末端工作产生的角位移、直线位移转换成电信号并传送到运动学解算系统中的编码器、安装在机器人单元的穿刺针末端的六维力传感器、采集发力信息的超声探头。
7.根据权利要求6所述的靶向粒子植入机器人力学临床感再现的控制系统，其特征在于：所述的数据采集传感模块的超声波探头发送来的数据处理好后传送给运动学解算系统系统的数据采集器。
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