機器人輔助沿直線路徑精準(zhǔn)穿刺軟組織目標(biāo)的實施裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人輔助沿直線路徑精準(zhǔn)穿刺軟組織目標(biāo)的實施裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于經(jīng)皮靶向穿刺手術(shù)在組織活檢、靶向注射、近距離放射性治療以及神經(jīng)外科手術(shù)等方面有著極為重要的應(yīng)用，特別是在癌癥早期診斷和治療領(lǐng)域的優(yōu)異表現(xiàn)，使之成為微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)研究的焦點與前沿。對于穿刺手術(shù)，穿刺精度是手術(shù)成敗的關(guān)鍵。穿刺時，較差靶向精度會導(dǎo)致組織損傷、錯誤診斷或不當(dāng)放射量，例如，切片活檢時的較差定位，將導(dǎo)致可能相反的檢查結(jié)果；熱消融時的較差定位，會殺死正常組織而不是癌變組織，這在某些時候?qū)a(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，如何在穿刺手術(shù)中減小靶向誤差以達(dá)到理想的穿刺精度，對降低組織傷害和患者的痛苦具有極為重要的現(xiàn)實意義。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中主要存在兩個問題:存在兩個主要問題:一是由于組織各向異性和個體差異性、軟組織變形和運動、軟組織的復(fù)雜的時變特性，實際中的針操控難以精準(zhǔn)；二是穿刺路徑上存在障礙物如骨頭、敏感組織，則無法進(jìn)行穿刺手術(shù)，給系統(tǒng)動力學(xué)建模和穩(wěn)定操作帶來極大困難，實際手術(shù)中往往存在靶向誤差(圖1)，需要多次回撤針，然后重新插入以獲得適合精度，而這些操作大大增加了組織傷害和患者的痛苦，同時很難達(dá)到理想的穿刺精度。
[0004]雖然在軟組織穿刺領(lǐng)域，柔性針的穿刺機理、路徑規(guī)劃和控制已引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究，然而，面向軟組織進(jìn)行手術(shù)操作，涉及到生物力學(xué)、斷裂力學(xué)、摩擦學(xué)、影像學(xué)、自動控制等多學(xué)科基礎(chǔ)科學(xué)，技術(shù)挑戰(zhàn)性強，研究難度大，主要體現(xiàn)在:(I)柔性針穿刺軟組織技術(shù)是通過針根部2個自由度運動，繞針軸線旋轉(zhuǎn)運動和進(jìn)給運動，控制針尖實現(xiàn)6個自由度的空間定位，即包含4個非同胚自由度，屬于非完整系統(tǒng)的范疇。(2)柔性針穿刺涉及到復(fù)雜的針-組織相互作用，醫(yī)師很難手工操作。(3)組織變形、組織各向異性和多層組織邊界特性導(dǎo)致插入運動的不確定性以及含有復(fù)雜非線性摩擦力的針-組織相互作用，這些都給操控柔性針帶來新的技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，基于柔性針的穿刺軟組織技術(shù)尚處于探索起步階段，理論研究還不完善，離實驗應(yīng)用以及后續(xù)的臨床應(yīng)用都還有一定距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種機器人輔助沿直線路徑精準(zhǔn)穿刺軟組織目標(biāo)的實施裝置，該裝置包括位置控制執(zhí)行裝置，該位置控制執(zhí)行裝置使用多個方向的伺服電機作為驅(qū)動源驅(qū)動電動執(zhí)行器，電動執(zhí)行器包括執(zhí)行頭，將執(zhí)行頭放置于軟組織體表周圍，以仿真系統(tǒng)確定的方向和力為基準(zhǔn)，在針刺過程中，控制位置控制執(zhí)行裝置按照控制器的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)動作，通過在表面施加力來控制興趣點目標(biāo)位置進(jìn)行移位操作:首先，為提高腫瘤目標(biāo)的可訪問性，應(yīng)用該實施系統(tǒng)推動障礙和敏感組織遠(yuǎn)離針刺路徑，其次，糾正剩余針定位誤差，控制穿刺腫瘤目標(biāo)“主動”移向針刺軌跡直線并被放置其上，最后，實現(xiàn)圖像引導(dǎo)下的精準(zhǔn)穿刺。
[0006]進(jìn)一步，位置控制執(zhí)行裝置包括底座，其上分布有多個支架，通過各個定位螺釘與焊接在兩個固定卡槽的套筒連接，套筒與支架的相對位置可改變，以調(diào)節(jié)固定卡槽I和固定卡槽II的相對高低，電動執(zhí)行器I通過兩個連接螺釘固定在固定卡槽I上，電動執(zhí)行器II與通過兩個連接螺釘與固定卡槽II連接。電動執(zhí)行器I上連接有穿刺針，電動執(zhí)行器II上連接有支撐板，支撐板與執(zhí)行頭連接，根據(jù)力的預(yù)加載的設(shè)置，布置電動執(zhí)行器及選擇其所連接的執(zhí)行頭或穿刺針。
【附圖說明】
[0007]圖1軟組織穿刺手術(shù)時的針穿刺誤差；
圖2軟組織操作力加載不同方法與力的關(guān)系；
圖3力預(yù)加載穿刺實現(xiàn)方法；
圖4a力預(yù)加載前；
圖4b力預(yù)加載后穿刺前；
圖4c力預(yù)加載后保持及穿刺開始；
圖4d穿刺到位；
圖5分階段操作控制方法；
圖6a執(zhí)行器未動作；
圖6b執(zhí)行器動作后；
圖6c多個方向放置的電動執(zhí)行器；
圖7控制結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0008]考慮基于柔性針的穿刺軟組織技術(shù)尚處于探索起步階段，理論研究還不完善，離實驗應(yīng)用以及后續(xù)的臨床應(yīng)用都還有一定距離。所以本發(fā)明利用剛性針進(jìn)行直線路徑穿刺手術(shù)，針對目前軟組織穿刺手術(shù)存在的避障難、操控性差、多次回撤針、靶向精度低的難題，本發(fā)明轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的慣性思維，取代在針刺過程中操縱針向目標(biāo)方向移動的傳統(tǒng)技術(shù)方法，提出一種新的機器人輔助沿直線路徑精準(zhǔn)靶向穿刺軟組織目標(biāo)的技術(shù)手段，以腫瘤目標(biāo)“主動”精準(zhǔn)追蹤靶向穿刺路徑手段，通過采用最小化穿刺軟組織形變的預(yù)加力穿刺方法，選擇合適的穿刺路徑，采用基于興趣點目標(biāo)的移位操作控制，解決利用剛性針穿刺的主要難題，減小軟組織形變和穿刺靶點的移位誤差，達(dá)到理想的穿刺精度，降低組織傷害和患者的痛苦。本方法具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、精度高的優(yōu)點。
[0009]整個實現(xiàn)方法分為兩個階段:
(I)力預(yù)加載階段
仿真手術(shù)與實際手術(shù)的軟組織形變量決定著穿刺手術(shù)的精度，因此穿刺前對軟組織施加預(yù)加力來最小化軟組織形變，基于接觸的力加載方式通常三種(圖2)，為有效減小組織損傷，在此，選擇與軟組織具有大的、球形接觸面的圖2c的球形表面方式。
[0010]基于成熟的醫(yī)學(xué)影像采集、三維圖像重建、穿刺路徑規(guī)劃、虛擬手術(shù)培訓(xùn)等技術(shù)，實現(xiàn)方法如圖3a所示，借助于針-軟組織力交互模型，對穿刺力大小進(jìn)行仿真及仿體實驗研究，確定預(yù)加力的范圍，綜合衡量穿刺精度和患者軟組織承受力負(fù)荷的平衡關(guān)系，考慮穿刺針的速度、位置、方向?qū)ζ鋬?yōu)化，以此優(yōu)化值為基準(zhǔn)，利用軟組織形變仿真模型，完成對腫瘤目標(biāo)的預(yù)測、定位，力加載裝置(中空，中間穿過穿刺針)輸出穩(wěn)定的預(yù)加載力，并對軟組織在穿刺手術(shù)前進(jìn)行加載，進(jìn)而插入穿刺針并沿力預(yù)加載路徑行穿刺手術(shù)，此方法可在穿刺時最小化軟組織形變，