專利名稱：機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種借助于機器人和計算機來輔助進(jìn)行人體頭部手術(shù)的特種醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。它涉及到計算機、機器人、機械、自動化、及醫(yī)療設(shè)備工程等技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。
機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)，在醫(yī)療設(shè)備工程領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。常規(guī)的立體定向腦外科手術(shù)是借助一種帶有N字形定位標(biāo)記的立體定位儀框架(標(biāo)定設(shè)備)，將它固定在病人的顱骨上，通過CT掃描或有關(guān)X光設(shè)備成象，將CT片上腦組織的病灶點信息與立體定位儀框架坐標(biāo)建立相應(yīng)的幾何變換關(guān)系，再借助于一種專用坐標(biāo)刻度盤和定位尺設(shè)備，可從刻度盤上讀出病灶靶點在立體定位儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)值。在此基礎(chǔ)上，將一個弓型手術(shù)器械引導(dǎo)裝置安裝在立體定位儀框架，通過已知的病灶靶點的坐標(biāo)值和該引導(dǎo)裝置便可在顱骨上鉆一個小孔，并將探針或其它更精細(xì)、復(fù)雜的外科器件引入腦內(nèi)，對病灶點進(jìn)行活檢、放療、切除等操作。
現(xiàn)有這種外科手術(shù)取得了許多重要成果，但也存在著一些不足A.是病人從CT掃描開始直到手術(shù)結(jié)束始終都要戴著笨重金屬頭架，特別是要安裝的弓型手術(shù)引導(dǎo)操作臂，不僅使病人不舒服，而且占用手術(shù)操作的空間。
B.是目前使用的坐標(biāo)刻度盤和定位尺設(shè)備只限用于一種特定大小的CT片，而不能適用于各種CT機拍成的CT片，特別是不能適用目前普遍使用的一張9幅腦圖CT片。
C.是這種方法很難在不同方向上提供對目標(biāo)(腫瘤)的軌跡規(guī)劃；D.是手術(shù)者從框架標(biāo)尺讀取靶點的坐標(biāo)到對框架進(jìn)行調(diào)整的操作繁瑣、時間長。
E.是將CT室作為手術(shù)室，利用機器人與CT掃描床固定聯(lián)接，完成立體定向神經(jīng)外科手術(shù)定位操作，這種方法不符合我們國家的國情，價格昂貴的CT機往往是面向醫(yī)院各個醫(yī)療科室，很難作為手術(shù)室。
F.在手術(shù)中，醫(yī)務(wù)人員直接進(jìn)行放射性藥物的注入操作，還會造成醫(yī)務(wù)人員的輻射傷害。
為此，人們迫切希望借助計算機與機器人高新技術(shù)，尋找一種新的、更快、更靈活、更可靠、更精確、成本低的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
本發(fā)明的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法的目的是利用機器人和電腦的先進(jìn)高技術(shù)，對手術(shù)操作的直線軌跡進(jìn)行規(guī)劃，選擇一個最小損傷的手術(shù)路徑，同時又避免傷害腦內(nèi)重要的血管、神經(jīng)，在機器人1末端機械手延伸裝置27的引導(dǎo)下，將其它更精細(xì)、復(fù)雜的外科器件引入腦內(nèi)(如探針等)，輔助有關(guān)人員對病灶點進(jìn)行活檢、放療、切除等精細(xì)手術(shù)操作。
我們目的是1.利用計算機圖像處理，使常規(guī)各種腦立體定向儀的靶點定位適用于各種CT機拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，并省去坐標(biāo)刻度盤和定位尺的繁雜操作。
2.本發(fā)明的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法在手術(shù)時不占用CT室，可以節(jié)約大量的經(jīng)費，更符合中國國情。
3.提出一種微損失映射方法，解決醫(yī)療圖像空間與臨床手術(shù)操作空間非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的復(fù)雜繁瑣標(biāo)定。提出了無損傷手術(shù)病灶測定和操作方法，更大地保護(hù)了病人的利益。
4.利用機器人操作，取消框架儀的弓型操作臂，實現(xiàn)不同方向的直線穿刺軌跡規(guī)劃，并為醫(yī)務(wù)人員提供更大的手術(shù)空間。
5.設(shè)計一種注射器的推進(jìn)機構(gòu)，替代醫(yī)務(wù)人員直接進(jìn)行放射性藥物的注入操作，以減輕對醫(yī)務(wù)人員的輻射傷害。
本發(fā)明提出的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法的具體內(nèi)容如下機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)它是由計算機4(選用型號PC586)、機器人1(選用型號PUMA262)、機械手延伸裝置27、手術(shù)床28、和標(biāo)定設(shè)備29等設(shè)備構(gòu)成，是進(jìn)行接受信息、測定并確定病灶的位置、輔助進(jìn)行手術(shù)和進(jìn)行治療的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于，其機械手延伸裝置27(見

圖1和圖2)包括測量標(biāo)定機械接口70、標(biāo)測釘71、手術(shù)器械夾持具60、雙層模板50、注射器推進(jìn)機構(gòu)30和六關(guān)節(jié)機械臂9等設(shè)備，該系統(tǒng)還包括CT圖片26、掃描儀5(選用型號UNISCAN)和C形X光機8等設(shè)備，其標(biāo)定設(shè)備29使用的是定位框架3。不同的步驟選用的設(shè)備不同，一.在進(jìn)行標(biāo)測定位時將病人的頭部固定在帶有N字形標(biāo)記的立體定位框架3上，對機器人1及有關(guān)相聯(lián)接的周邊設(shè)備進(jìn)行消毒，諸如測量標(biāo)定機械接口70(見圖8)，一端呈尖形的棒體標(biāo)測釘71，手術(shù)器械夾持具60，雙層模板50，注射器推進(jìn)機構(gòu)30等，測量標(biāo)定機械接口70是為和機器人末端銜接的接口，是由有四個銜接螺口75形似法藍(lán)盤的底座73和中心有固定孔72的固定件74組成，底座73和固定件74是固定連接，在固定件74上配有固定用的螺釘。讓病人躺在手術(shù)床上，一方面利用掃描儀5將CT圖片26數(shù)據(jù)輸入計算機4，用本發(fā)明研究開發(fā)的圖像引導(dǎo)軟件系統(tǒng)測定腦病灶的三維坐標(biāo)；另一方面用本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定方法，用測量標(biāo)定機械接口70和標(biāo)測釘71、或雙層模板50，完成手術(shù)操作空間與圖像規(guī)劃空間之間映射變換，之后，將機器人末端的手術(shù)器械夾持具60裝置，利用機器人1輔助完成不同方向的直線軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)立體定向手術(shù)的精確定位。
二.在進(jìn)行相關(guān)手術(shù)時控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近，借助本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具60，進(jìn)行鉆孔并插入探針，并在計算機4控制下機器人1進(jìn)行微動精細(xì)地前進(jìn)或后退運動定位，進(jìn)行有關(guān)病灶點的活檢和囊液的抽取等。
三.在輔助治療時在手術(shù)器械夾持具60上安裝本發(fā)明設(shè)計的注射推進(jìn)機構(gòu)30，在計算機4的控制下，完成放射性同位素的注射。
應(yīng)當(dāng)這樣說我們的技術(shù)方案主要由圖像引導(dǎo)定位方法、醫(yī)療圖像模型與臨床手術(shù)環(huán)境的標(biāo)定方法、機器人輔助立體定向運動控制及放射性藥物注入控制等四大部分組成?，F(xiàn)在這四大塊分別加以說明。
一.圖像引導(dǎo)定位方法對于腦立體定向手術(shù)，為了準(zhǔn)確地將探針或其它更精細(xì)復(fù)雜的外科器件引入腦內(nèi)病灶點，進(jìn)行活檢、放療、切除等操作，必須準(zhǔn)確地確定病灶點的位置，以及在顱骨上鉆孔位置姿態(tài)。因此，首先一個重要任務(wù)就是，利用計算機進(jìn)行腦圖像的手術(shù)靶點定位，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多條直線軌跡外科手術(shù)的規(guī)劃，選擇最佳的手術(shù)方案。
為了準(zhǔn)確地定位，本發(fā)明設(shè)計了兩套方案，一個是面向二維圖像引引導(dǎo)定位系統(tǒng)，另一個是面向三維圖象引導(dǎo)定位系統(tǒng)。
A本發(fā)明設(shè)計的借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術(shù)，我們設(shè)計了二維圖像引導(dǎo)定位方法是借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術(shù)實現(xiàn)五個圖標(biāo)驅(qū)動下的可視化引導(dǎo)病灶點的定位，既a.圖標(biāo)功能之一是讀寫文件操作，它負(fù)責(zé)將CT或MRI圖像數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)并顯示在屏幕上，或者將修改的CT或MRI圖像數(shù)據(jù)存入文件，或者將完成定位的參數(shù)、病例報告輸出打印。
b.圖標(biāo)功能之二是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示一個帶有標(biāo)尺的框架，利用鼠標(biāo)拖動這個顯示框架，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有立體定向框架的四個角，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示與實際腦部位置的坐標(biāo)變換關(guān)系。
c.圖標(biāo)功能之三是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的橫向標(biāo)尺，利用鼠標(biāo)拖動這個標(biāo)尺，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有N字形標(biāo)記點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示Z軸深度的坐標(biāo)。
d.圖標(biāo)功能之四是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的十字標(biāo)尺，利用鼠標(biāo)拖動這個標(biāo)尺，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人腦部病灶點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示X、Y軸的坐標(biāo)。
e.圖標(biāo)功能之五是根據(jù)圖標(biāo)功能之二到之四的操作，通過幾何變換，計算出相對于立體定向框架儀的X、Y、Z坐標(biāo)。
這一技術(shù)方案的突出特點是適用于各種CT機7拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，可以完成腦靶點定位，即可用于機器人1輔助腦外科系統(tǒng)，也可以配合常規(guī)的各種腦立體定向儀的定位框架3，在保持同樣精度的條件下，實時計算靶點的X、Y、Z坐標(biāo)位置，同時還具有省去坐標(biāo)刻度盤和定位尺設(shè)備與操作等優(yōu)點。
B面向三維圖像引導(dǎo)定位軟件系統(tǒng)是借助本發(fā)明設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂9作為觀測棒，在OpenGL軟件開發(fā)環(huán)境下，實現(xiàn)我們的這一技術(shù)方案。
現(xiàn)在來說明一下本發(fā)明所設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂9的結(jié)構(gòu)，作為人機交互裝置的觀測棒，主要用于手術(shù)操作空間點的測量和三維圖像的操作。六自由度關(guān)節(jié)式機械臂9(見圖3和圖4)，采用無動力源方式，它及各關(guān)節(jié)均采用經(jīng)過表面處理的航空鋁型材料進(jìn)行制作，主要硬件結(jié)構(gòu)組成如下在機座10上裝配有關(guān)節(jié)一11，其關(guān)節(jié)一11下端內(nèi)部采用精密軸，心軸94與機座10用螺釘96進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)92、墊圈93與關(guān)節(jié)一11進(jìn)行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)一11進(jìn)行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)一11的轉(zhuǎn)動靈活。與電位計20的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計20軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)一11的接頭91上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)一11保持同步轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)二12的右端與關(guān)節(jié)一11的左端相連，其關(guān)節(jié)二12的心軸94與關(guān)節(jié)一11用螺釘96進(jìn)行固定，心軸94軸向定位由擋環(huán)92、墊圈93與關(guān)節(jié)二12進(jìn)行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套97與關(guān)節(jié)二12進(jìn)行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)二12的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計21的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸94與電位計21軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)二12的接頭91上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)二12保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)二12的上端與大臂13一端進(jìn)行固定相連(以下兩兩關(guān)節(jié)的內(nèi)在連接和聯(lián)結(jié)都是相同的和類同的，下面就不一一敘述了)。
關(guān)節(jié)三14的下端與大臂13另一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)三14的右端與關(guān)節(jié)四15的左端相連，其關(guān)節(jié)三14的心軸與關(guān)節(jié)四15用螺釘進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)三14進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)三14進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)三14的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計22的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計22軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)三14的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)三14保持同步轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)四15的下端與小臂16一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)四15的右端與關(guān)節(jié)三14的右端相連，其關(guān)節(jié)四15的心軸與小臂16一端用螺釘進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)四15進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)四15進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)四15的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計23的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計23軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)四15的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)四15保持同步轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)五17的上端與小臂16另一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)五17的右端與關(guān)節(jié)六18的左端相連，其關(guān)節(jié)五17的心軸與關(guān)節(jié)六18進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)五17進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)五17進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)五17的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計24的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計24軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)五17的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)五17保持同步轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)六18的下端與錐形探測工具19進(jìn)行相連，其關(guān)節(jié)六18的心軸與探測工具19進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)六18進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)六18進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)六18的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計25的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計25軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)六18的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)六18保持同步轉(zhuǎn)動。
面向三維圖像引導(dǎo)定位方法是本發(fā)明設(shè)計的借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術(shù)，設(shè)計的三維圖像引導(dǎo)定位方法是用六關(guān)節(jié)機械臂9作為觀測棒，在計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件開發(fā)環(huán)境平臺上，可以實現(xiàn)一個三維圖像引導(dǎo)的立體定向外科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)。它首先可以完成二維圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括直方圖顯示、灰度范圍校準(zhǔn)(線性灰度變換、非線性灰度變換)、組織劃分、一系列CT掃描腦圖像對齊校準(zhǔn)以及CT層間的插值處理等。然后，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維圖像的重構(gòu)，并在計算機屏幕上用不同顏色顯示腦內(nèi)的不同解剖組織結(jié)構(gòu)。利用本發(fā)明設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂9作為觀測棒，可以實現(xiàn)三維圖像的平移旋轉(zhuǎn)、放大縮小、任意切割平面等操作，并可以從不同角度，對預(yù)行手術(shù)操作的部位進(jìn)行測量定位，通過計算機程序，進(jìn)行坐標(biāo)變換，計算出機械臂末端的坐標(biāo)值，對手術(shù)穿刺直線軌跡在計算機的人腦三維圖像中進(jìn)行虛擬演示與規(guī)劃，觀察手術(shù)操作軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴(yán)重的影響，模擬同位素內(nèi)放療的結(jié)果等。
明確地說我們可以利用六關(guān)節(jié)機械臂9，借助于六個關(guān)節(jié)上的電位器，測量出各個關(guān)節(jié)的角度，通過計算機4的A/D卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再利用計算機4的程序，進(jìn)行空間幾何坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就可以算出機械臂末端的姿態(tài)和位置。對六關(guān)節(jié)機械臂9的操縱，對實際病人頭部表面的測量，就可以A.利用六關(guān)節(jié)機械臂9末端的姿態(tài)和位置，控制計算機4屏幕上三維圖象的旋轉(zhuǎn)B.利用六關(guān)節(jié)機械臂9末端與實際病人頭部的遠(yuǎn)近，可以控制計算機4屏幕上三維圖象的放大或縮??；C.以六關(guān)節(jié)機械臂9末端的姿態(tài)定義一個平面，對計算機4屏幕上三維圖象進(jìn)行切割，便于觀察人體腦內(nèi)部的病灶靶點；基于上述三個功能，就可以借助對六關(guān)節(jié)機械臂9的操作，以其坐標(biāo)系為基點，來分析、觀察機器人手術(shù)穿刺直線的最佳位置和姿態(tài)，其手術(shù)操作直線軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴(yán)重的影響等；這一技術(shù)的凸出特點是借助于六關(guān)節(jié)機械臂9作為觀測棒，可以方便建立圖像操作的良好界面，以實現(xiàn)虛擬手術(shù)的操作和規(guī)劃，選擇最佳手術(shù)方案。二.醫(yī)療圖像三維模型與臨床手術(shù)環(huán)境的標(biāo)定方法在計算機與機器人輔助外科手術(shù)中，首先需要解決的問題是如何實現(xiàn)腦圖像三維模型與臨床手術(shù)操作環(huán)境的標(biāo)定，即將CT圖片上的預(yù)定病灶點位置映射到機器人操作的具體病灶點位置。在這里借助于本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定機械接口70和標(biāo)測釘71、雙層模板50，利用計算機控制的機器人力控制人機交互操作界面，我們提出了微創(chuàng)傷和無創(chuàng)傷的兩種映射變換方法。
A微創(chuàng)傷映射變換方法一般我們定義虛擬空間是基于CT的圖像空間，現(xiàn)實空間是機器人和病人所在的空間。為了建立兩個空間的映射關(guān)系，我們通過定義立體框架上的三個定位標(biāo)記點，來構(gòu)造一個與顱骨固連的參考坐標(biāo)系，實現(xiàn)了兩個空間的匹配映射。
對于微創(chuàng)傷映射變換方法，機器人1可以將目標(biāo)靶點從CT圖像坐標(biāo)系、定位框架3坐標(biāo)系映射到機器人1基坐標(biāo)系、機器人末端的手術(shù)器械夾持具60坐標(biāo)系。本發(fā)明設(shè)計了用于測量標(biāo)定的標(biāo)測釘71工具和測量標(biāo)定機械接口70，測量標(biāo)定機械接口70的一端通過螺釘可以固定在機器人末端力傳感器2，測量標(biāo)定機械接口70的另一端通過螺釘可以固定錐形標(biāo)測釘，目的是為了利用機器人1末端安裝的標(biāo)測釘71直接獲取手術(shù)操作空間的標(biāo)記點坐標(biāo)。
本發(fā)明設(shè)計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，已知道了定位框架3上的三個標(biāo)記點，我們所設(shè)計的微創(chuàng)傷定位的方法是首先在人體頭部安裝的定位框架3上選擇定義三個標(biāo)記點，然后進(jìn)行CT掃描，獲得CT圖象；由于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，知道上述個標(biāo)記點，以這三個標(biāo)記點可以構(gòu)造一個空間坐標(biāo)系，稱之為CT圖象空間的標(biāo)記點三坐標(biāo)系，從而可以通過空間幾何變換，將CT圖象空間所所關(guān)心的病灶點映射到CT圖象中的標(biāo)記點坐標(biāo)系中。
另一方面，當(dāng)帶著定位框架3的病人躺在手術(shù)床上以后，我們將測量標(biāo)定機械接口70的一端，通過螺釘固定在機器人末端力傳感器2上，再將測量標(biāo)定機械接口70的另一端安裝固定一個錐形標(biāo)測釘71，可以測量獲得手術(shù)操作空間的三個標(biāo)記點，以這三個標(biāo)定的標(biāo)記點又可以構(gòu)造一個空間坐標(biāo)系，稱之為手術(shù)操作空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系。由機器人在手術(shù)操作空間中通知上述三個標(biāo)記點，從而可以通過幾何變換，將手術(shù)操作空間中所關(guān)心的病灶點映射到標(biāo)記點坐標(biāo)系中，而且這種逆變換也是存在的，即標(biāo)記點坐標(biāo)系中的病灶點映射到機器人手術(shù)操作空間中。
通過上述方法，CT圖象空間映射變換到CT圖象空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系中，CT圖象空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系與機器人手術(shù)操作空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系完全等價，從而再將上述變換將機器人手術(shù)操作空間中標(biāo)記點坐標(biāo)系映射變換到機器人手術(shù)操作空間，這就實現(xiàn)了CT圖象空間大到手術(shù)操作空間的變換。
因此，在手術(shù)操作空間中，只要借助我們設(shè)計安裝在機器人末端的測量標(biāo)定機械接口70和標(biāo)測釘71，通過計算機4，實現(xiàn)PUMA260機器人1力控制方式，用機器人1可以直接從定位框架3上識別獲得手術(shù)操作空間中定義的三個定位標(biāo)記點。在虛擬空間中定義的三個定位標(biāo)記點坐標(biāo)位置，可以從定位框架3刻度上直接獲得?？梢钥闯觯灰齻€定位標(biāo)記點不同線，基于可以使用的軟件，就可以構(gòu)造這兩個空間映射關(guān)系的幾何變換矩陣。
我們所提出的微損失映射方法較好地解決了醫(yī)療圖像空間與臨床手術(shù)操作空間非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的復(fù)雜繁瑣標(biāo)定，使手術(shù)不占用CT室，這樣符合中國國情，并為無框架立體定向神經(jīng)外科手術(shù)的進(jìn)一步研究奠定重要的基礎(chǔ)。
B.關(guān)于無創(chuàng)傷映射變換方法我們提出了利用成像設(shè)備C形X光機8，不在病人身上設(shè)置有損傷的標(biāo)記點，實現(xiàn)醫(yī)療圖像空間與臨床手術(shù)操作空間非結(jié)構(gòu)化環(huán)境映射變換。設(shè)想任何一幅X光醫(yī)療圖像是一個三維的透視圖，圖像中的目標(biāo)點可以看成是該點在空間沿著X光線方向的投影點，一條投影線上的每一點都對應(yīng)同一個投影點。顯然，如果在兩幅圖像中都找到一條通過目標(biāo)點的投影直線，那么這兩條直線的交點就是我們要求的空間目標(biāo)點位置。
為了解決這一問題，我們設(shè)計了一種雙層模板50(見圖6)。它的結(jié)構(gòu)是上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板51和下層模板52之間的距離是確定的，上層模板51和下層模板52之間的聯(lián)接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固，上層模板51的標(biāo)記點的位置我們采用正方形網(wǎng)格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板52的標(biāo)記點在板中心的若干個同心圓上，這些標(biāo)記點在雙層模板50中的坐標(biāo)系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標(biāo)記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。
如果給出具體的數(shù)值，則模板的一種設(shè)計是模板的尺寸為200mm×200mm，上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，厚度為4mm，上層模板51和下層模板52之間的距離為53mm，上層模板51和下層模板52之間的聯(lián)接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固的。上層模板51的標(biāo)記點我們采用正方形網(wǎng)格排列，每兩點之間的距離為40mm，下層模板52的標(biāo)記點采用圓形排列，共有兩個圓周，小圓半徑為50mm，大圓半徑為70mm；每個圓周上有16個標(biāo)記點。
雙層模板50與機器人末端的測量標(biāo)定機械接口70聯(lián)接是通過雙層模板50的機械接口53固定聯(lián)接的，然后通過雙層模板50上金屬標(biāo)記在X光圖象中的投影關(guān)系，可以測量和計算空間未知點在模板坐標(biāo)系的坐標(biāo)，再基于機器人1基坐標(biāo)的變換矩陣，則可從兩幅投影圖象中分別確立兩條空間直線，他們的相交點即為我們所待求的空間位置，從而實現(xiàn)一種快速有效的定位算法。雙層模板50的結(jié)構(gòu)是基于求解投影線上兩個點的想法，以建立空間直線方程而專門設(shè)計的。
雙層模板50結(jié)構(gòu)是上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板51和下層模板52之間的距離是確定的，上層模板51和下層模板52之間的聯(lián)接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固，上層模板51的標(biāo)記點的位置我們采用正方形網(wǎng)格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板52的標(biāo)記點在板中心的若干個同心圓上，這些標(biāo)記點在雙層模板50中的坐標(biāo)系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標(biāo)記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。在使用時，首先將雙層模板50與機器人末端的測量標(biāo)定機械接口70通過螺釘固定連接，利用計算機4將機器人末端的雙層模板運動到待測部位的上方，然后將來成象設(shè)備C形X光機8移動到機器人末端雙層模板50的上方進(jìn)行拍照成象。由于雙層模板50上的標(biāo)記點不僅在X光圖象上是可見的，而且它們之間的位置關(guān)系在機器人坐標(biāo)中也是固定和已知的，從而可以通過雙層模板50上的標(biāo)記點，構(gòu)造一條穿過病灶靶點的空間直線族。然后，按上述方法將機器人末端雙層模板50和C形X光機8移動到待測部位的另一方位，又可以構(gòu)造出另一條穿過病灶靶點的空間直線族，當(dāng)病灶點是唯一的，則兩條空間直線族的交點就是我們待測分三維坐標(biāo)病灶靶點。這種方法在病人身上沒有有損傷的標(biāo)記點，而是借助于本發(fā)明設(shè)計的雙層模板50，實現(xiàn)了醫(yī)療圖象與臨床手術(shù)操作間非結(jié)構(gòu)化的映射變換。
因此，我們所提出的非損傷映射技術(shù)方案突出特點是借助我們設(shè)計的雙層模板50，可以巧妙地將醫(yī)療成象設(shè)備與圖象引導(dǎo)定位系統(tǒng)分離開來，定位算法中不需要考慮醫(yī)療成象設(shè)備C形X光機8的有關(guān)參數(shù)和姿態(tài)，這不僅使定位問題簡單化，而且使得這種定位系統(tǒng)變得更加實用。三.機器人輔助立體定向的操作控制我們是以UNIMATION公司的PUMA260機器人1為硬件平臺，研究開發(fā)了機器人輔助立體定向操作控制，這方面的技術(shù)方案包括本發(fā)明設(shè)計的與機器人末端聯(lián)接的手術(shù)器械夾持具、機器人軌跡規(guī)劃、機器人運動控制算法和通訊程序。另外還實現(xiàn)了具有基于實時力控制的人機交互界面，醫(yī)生可以直接抓持機器人的末端，控制機器人達(dá)到醫(yī)生所期望的位置和姿態(tài)，方便了醫(yī)務(wù)人員對機器人定位的操作。
UNIMATION公司的PUMA260機器人1是一種可編程的體積較小、便于搬運的通用機器人，它能以0.05mm的重復(fù)精度完成復(fù)雜的工作，并能保持穩(wěn)定的軌跡。它主要由操作機、控制器、示教盒、監(jiān)視器等系統(tǒng)連接組成。它的運動與人體相類似，如可以以腕、肩、肘、腰部位并行或分別旋轉(zhuǎn)操作。六個關(guān)節(jié)分別配有永磁電機和伺服驅(qū)動系統(tǒng)。每個關(guān)節(jié)都能進(jìn)行大范圍角位移。另外，PUMA260機器人1具有較好的安全性，當(dāng)它的電氣或機械失效后，在腰、肩、肘安裝的彈簧機制可以有剎車制動作。為了使機器人與病人保持固定的聯(lián)系，機器人1基座與手術(shù)床的位置距離在手術(shù)過程中保持不變，安裝在病人頭部的定位框架3與手術(shù)床固定聯(lián)接。
將測量標(biāo)定機械接口70替換為手術(shù)機械夾持具60，利用計算機4控制程序可以實現(xiàn)機器人1輔助下的不同方向直線軌跡規(guī)劃，以選擇最佳的手術(shù)方案。手術(shù)機械夾持具60(見圖7)的硬件結(jié)構(gòu)組成是機械接口61與引導(dǎo)機構(gòu)62精密固定配合，機械接口61的功能是與機器人末端力傳感器進(jìn)行聯(lián)接。引導(dǎo)機構(gòu)62功能是在上位夾持具63和下位夾持具64配合下，保證各種手術(shù)器械工具，在引導(dǎo)機構(gòu)62引導(dǎo)的方向上進(jìn)行相應(yīng)的手術(shù)操作，其中上位夾持具63和下位夾持具64是可以按手術(shù)器械的粗細(xì)、大小進(jìn)行更換，螺釘65和螺釘66負(fù)責(zé)對更換的上位夾持具63和下位夾持具64進(jìn)行固定。在分析比較確定機器人1規(guī)劃的最佳穿刺直線路徑后，確定一條避開腦部重要功能區(qū)和血管組織的近似軌跡，機器人1可以根據(jù)選擇的不同方向，調(diào)整姿態(tài)，然后進(jìn)行直線軌跡的運動，并將探針指向靶點。實現(xiàn)立體定向手術(shù)的精確定位，并控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近。機器人1可以實時、準(zhǔn)確地計算出需要到達(dá)預(yù)定目標(biāo)區(qū)域的距離，提供工作人員參考。經(jīng)再三對比，對機器人計算的結(jié)果進(jìn)行分析、討論、評價，并根據(jù)手術(shù)實際情況進(jìn)行修正。機器人1按準(zhǔn)確修正后的速度和距離，準(zhǔn)確地沿直線前進(jìn)或后退運動。然后，工作人員用電鉆借助本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具沿著預(yù)定軌跡在頭滑上鉆孔，接著用一根穿刺針完成對病變的處理。機器人1也可以進(jìn)行微動精細(xì)地前進(jìn)或后退運動定位?，F(xiàn)在，到達(dá)預(yù)定目標(biāo)區(qū)域的距離可以由機器人1計算得到，但通過探針支持器插入探針的工作還是由醫(yī)生人工操作進(jìn)行的。
四.放射性藥物注入機構(gòu)和控制考慮減輕注射同位素對外科醫(yī)務(wù)工作人員的輻射傷害，我們在機器人末端的手術(shù)器械夾持具60上，專門設(shè)計了一種用于遙控操作的注射器推進(jìn)機構(gòu)30(見圖5)，輔助工作人員在遠(yuǎn)距高進(jìn)行放射性同位素藥物的注射操作。注射器推進(jìn)機構(gòu)30的夾具33功能是在螺釘31、32的緊固配合下，將推進(jìn)機構(gòu)本體34與手術(shù)器械夾持具60固定聯(lián)接。直流電機37固定安裝在推進(jìn)機構(gòu)本體34上，直流電機37軸承與一個轉(zhuǎn)動輪35固定聯(lián)接，通過一條鋼絲繩36與滑板相連。當(dāng)直流電機37帶動轉(zhuǎn)動輪35正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，滑板38在滑槽39上也跟著上下移動?；迮c一個連桿40固定聯(lián)接，連桿40的頂部通過一個螺釘41又與一個擋板42相連。當(dāng)螺釘41松動時，擋板42可以左右轉(zhuǎn)動，便于安裝不同大小粗細(xì)的注射器6。當(dāng)螺釘41緊固時，擋板42也將固定，從而可以隨連桿40上下移動，推動注射器6完成放射性藥物的注入。直流電機37的驅(qū)動是利用計算機4程序，通過計算機4的A/D卡進(jìn)行控制的。
本發(fā)明有以下優(yōu)點a.充分利用影像信息(如9幅普通CT片)，掃描定位靶點精確，可重復(fù)性好，減少了人工測量靶點的誤差。
b.適用于各種CT機拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，可以完成腦靶點定位，即可用于機器人輔助腦外科系統(tǒng)，也可以配合常規(guī)的各種腦立體定向儀，在保持同樣精度的條件下，實時計算靶點的X、Y、Z坐標(biāo)位置，同時還具有省去坐標(biāo)刻度盤和定位尺設(shè)備與操作等優(yōu)點。
c.國外一般所采用的映射標(biāo)定方法是將CT掃描室直接作為手術(shù)室，在手術(shù)操作之前，將機器人機座與CT床的機座牢牢相連，從而可以完成CT機掃描的空間坐標(biāo)系與機器人基坐標(biāo)系之間的映射變換。這種方法顯然不符合我們國家的國情，價格昂貴的CT機往往是面向醫(yī)院各個醫(yī)療科室，很難作為手術(shù)室。因此，我們所提出的微損失映射方法較好地解決了醫(yī)療圖像空間與臨床手術(shù)操作空間非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的復(fù)雜繁瑣標(biāo)定，使手術(shù)不占用CT室，這樣符合中國國情。
d.本發(fā)明所提出的非損失映射技術(shù)方案突出特點是借助本發(fā)明設(shè)計的模板，可以巧妙地將醫(yī)療成象設(shè)備與圖象引導(dǎo)定位系統(tǒng)分離開來，定位算法中不需要考慮醫(yī)療成象設(shè)備的有關(guān)參數(shù)和姿態(tài)，這不僅使定位問題簡單化，而且使得這種定位系統(tǒng)變得更加實用。
e.利用先進(jìn)機器人技術(shù)，取消框架儀的弓型操作臂，為工作人員提供更大的手術(shù)空間。
f.利用機器人技術(shù)，替代醫(yī)務(wù)人員直接進(jìn)行放射性藥物的注入操作，以減輕對工作人員的輻射傷害。通過電檢和手檢，沒有文獻(xiàn)給予報道。
g.利用機器人技術(shù)，可以進(jìn)行不同方向的直線穿刺軌跡規(guī)劃，以保證手術(shù)方案的最佳性。
h.由于實施的微創(chuàng)傷外科，所以減少了病人的手術(shù)危險和痛苦，縮短了所需康復(fù)的時間，同時也降低了醫(yī)療費用。
我們提出的映射標(biāo)定方法重要意義是為無框架立體定向神經(jīng)外科手術(shù)研究將奠定重要的基礎(chǔ)。這種方法的優(yōu)點在于可以減小病人的外傷，使病人擺脫笨重的框架和弓型手術(shù)引導(dǎo)裝置，擴大醫(yī)生手術(shù)操作的空間，克服病人從CT掃描開始直到手術(shù)結(jié)束都要戴著頭架的缺點，并且常規(guī)方法難以在不同方向上提供對目標(biāo)(腫瘤)的軌跡規(guī)劃。
從長遠(yuǎn)來看，機器人技術(shù)應(yīng)用于立體定向神經(jīng)外科定位，拓寬了立體定向手術(shù)的范圍，代表著立體定向手術(shù)的發(fā)展方向，為實施腦深部腫瘤的外科治療、開展無框架立體定向神經(jīng)外科提供了新的途徑。它不僅使手術(shù)更加安全可靠，而且減輕了創(chuàng)傷，縮短了病人的康復(fù)時間，還可避免放射性藥物注入過程中對醫(yī)務(wù)人員的傷害，使立體定向手術(shù)更加方便、省時、高效。本發(fā)明有以下附圖圖1是本發(fā)明的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由機器人1，計算機4，掃描儀5，C形X光機8，CT圖片26，機械手延伸裝置27，手術(shù)床28和標(biāo)定設(shè)備29組成的。
圖2是本發(fā)明的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)部分設(shè)備在工作狀態(tài)下的示的意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，力傳感器2，定位框架3，注射器6和注射器推進(jìn)機構(gòu)30組成。
圖3是本發(fā)明設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由機座10，關(guān)節(jié)一11，關(guān)節(jié)二12大臂13，關(guān)節(jié)三14，關(guān)節(jié)15，小臂16，關(guān)節(jié)五17，關(guān)節(jié)六18，探測工具19，電位計20，電位計21，電位計22，電位計23，電位計24和電位計25組成。
圖4是本發(fā)明設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂第一和第二關(guān)節(jié)部件的剖視件示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由接頭91，擋環(huán)92，墊圈93，心軸94，螺釘96，襯套97，連接套98和凸塞99組成。
圖5是本發(fā)明設(shè)計的注射器推進(jìn)機構(gòu)的示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由螺釘31，螺釘32，夾具33，推進(jìn)機構(gòu)本體34，轉(zhuǎn)動輪35，鋼絲繩36，直流電機37，滑板38，滑槽39，連桿40，螺釘41，擋板42和卡口43組成。
圖6是本發(fā)明設(shè)計的雙層模板的示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由上層模板51，下層模板52，機械接口53，螺釘54，螺釘55，螺釘56，螺釘57，和固定棒58組成。
圖7是本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具示意圖；設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由機械接口61，引導(dǎo)機構(gòu)62，上位夾持具63，下位夾持具64，緊固螺釘65，緊固螺釘66，支架67，和銜接口68組成。
圖8是本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定機械接口示意圖，設(shè)備組成和圖中各標(biāo)號的含義是，它是由標(biāo)測釘71，固定孔72，底座73，固定件74和銜接螺口75組成。
圖9是本發(fā)明所使用的標(biāo)測釘示意圖；本發(fā)明的實施內(nèi)容，已經(jīng)在前面的敘述中完整、清楚地敘述過，就不再在實施例中重復(fù)了。
權(quán)利要求
1.機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)它是由計算機(4)、機器人(1)、機械手延伸裝置(27)、手術(shù)床(28)、和標(biāo)定設(shè)備(29)等設(shè)備構(gòu)成，是進(jìn)行接受信息、測定并確定病灶的位置、輔助進(jìn)行手術(shù)和進(jìn)行治療的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征在于，其機械手延伸裝置(27)包括測量標(biāo)定機械接口(70)、標(biāo)測釘(71)、手術(shù)器械夾持具(60)、雙層模板(50)、注射器推進(jìn)機構(gòu)(30)和六關(guān)節(jié)機械臂(9)等設(shè)備，該系統(tǒng)還包括CT圖片(26)、掃描儀(5)和C形X光機(8)等設(shè)備，其標(biāo)定設(shè)備(29)使用的是定位框架(3)；一.在進(jìn)行標(biāo)測定位時將病人的頭部固定在帶有N字形標(biāo)記的立體定位框架(3)上，對機器人1及有關(guān)相聯(lián)接的周邊設(shè)備進(jìn)行消毒，諸如測量標(biāo)定機械接口(70)，一端呈尖形的棒體標(biāo)測釘(71)，手術(shù)器械夾持具(60)，雙層模板(50)，注射器推進(jìn)機構(gòu)(30)等，測量標(biāo)定機械接口(70)是為和機器人末端銜接的接口，是由有四個銜接螺口(75)形似法藍(lán)盤的底座(73)和中心有固定孔(72)的固定件(74)組成，底座(73)和固定件(74)是固定連接，在固定件(74)上配有固定用的螺釘。讓病人躺在手術(shù)床上，一方面利用掃描儀(5)將CT圖片(26)數(shù)據(jù)輸入計算機(4)，用本發(fā)明研究開發(fā)的圖像引導(dǎo)軟件系統(tǒng)測定腦病灶的三維坐標(biāo)；另一方面用本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定方法，用測量標(biāo)定機械接口(70)和標(biāo)測釘(71)、或雙層模板(50)，完成手術(shù)操作空間與圖像規(guī)劃空間之間映射變換，之后，將機器人末端的手術(shù)器械夾持具(60)裝置，利用機器人(1)輔助完成不同方向的直線軌跡規(guī)劃，實現(xiàn)立體定向手術(shù)的精確定位；二.在進(jìn)行相關(guān)手術(shù)時控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近，借助本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具(60)，進(jìn)行鉆孔并插入探針，并在計算機(4)控制下機器人(1)進(jìn)行微動精細(xì)地前進(jìn)或后退運動定位，進(jìn)行有關(guān)病灶點的活檢和囊液的抽取等；三.在輔助治療時在手術(shù)器械夾持具(60)上安裝本發(fā)明設(shè)計的注射推進(jìn)機構(gòu)(30)，在計算機(4)的控制下，完成放射性同位素的注射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，六關(guān)節(jié)機械臂(9)的結(jié)構(gòu)是在機座(10)上裝配有關(guān)節(jié)一(11)，其關(guān)節(jié)一(11)下端內(nèi)部采用精密軸，心軸(94)與機座(10)用螺釘(96)進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)(92)、墊圈(93)與關(guān)節(jié)一(11)進(jìn)行固定，心軸(94)的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)一(11)進(jìn)行固定，銅制襯套(97)的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)一(11)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(20)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸(94)中凸塞(99)插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計(20)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)一(11)的接頭(91)上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)一(11)保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)二(12)的右端與關(guān)節(jié)一(11)的左端相連，其關(guān)節(jié)二(12)的心軸94與關(guān)節(jié)一(11)用螺釘96進(jìn)行固定，心軸94軸向定位由擋環(huán)92、墊圈93與關(guān)節(jié)二(12)進(jìn)行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套97與關(guān)節(jié)二(12)進(jìn)行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)二(12)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(21)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸94與電位計(21)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)二(12)的接頭91上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)二(12)保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)二(12)的上端與大臂(13)一端進(jìn)行固定相連；關(guān)節(jié)三(14)的下端與大臂(13)另一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)三(14)的右端與關(guān)節(jié)四(15)的左端相連，其關(guān)節(jié)三(14)的心軸與關(guān)節(jié)四(15)用螺釘進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)三(14)進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)三(14)進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)三(14)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(22)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計(22)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)三(14)的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)三(14)保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)四(15)的下端與小臂(16)一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)四(15)的右端與關(guān)節(jié)三(14)的右端相連，其關(guān)節(jié)四(15)的心軸與小臂(16)一端用螺釘進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)四(15)進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)四(15)進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)四(15)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(23)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計(23)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)四(15)的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)四(15)保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)五(17)的上端與小臂(16)另一端進(jìn)行固定相連，關(guān)節(jié)五(17)的右端與關(guān)節(jié)六(18)的左端相連，其關(guān)節(jié)五(17)的心軸與關(guān)節(jié)六(18)進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)五(17)進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)五(17)進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)五(17)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(24)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計(24)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)五(17)的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)五(17)保持同步轉(zhuǎn)動；關(guān)節(jié)六(18)的下端與錐形探測工具(19)進(jìn)行相連，其關(guān)節(jié)六(18)的心軸與探測工具(19)進(jìn)行固定，心軸軸向定位由擋環(huán)、墊圈與關(guān)節(jié)六(18)進(jìn)行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關(guān)節(jié)六(18)進(jìn)行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關(guān)節(jié)六(18)的轉(zhuǎn)動靈活；與電位計(25)的聯(lián)結(jié)是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現(xiàn)心軸與電位計(25)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關(guān)節(jié)六(18)的接頭上，以保證電位計準(zhǔn)確地與關(guān)節(jié)六(18)保持同步轉(zhuǎn)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，雙層模板(50)結(jié)構(gòu)是上層模板(51)和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板(51)和下層模板(52)之間的距離是確定的，上層模板(51)和下層模板(52)之間的聯(lián)接固定是通過螺釘(54)、(55)、(56)、(57)緊固，上層模板(51)的標(biāo)記點的位置我們采用正方形網(wǎng)格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板(52)的標(biāo)記點在板中心的若干個同心圓上，這些標(biāo)記點在雙層模板(50)中的坐標(biāo)系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標(biāo)記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所說的模板，其特征是，模板的一種設(shè)計是模板的尺寸為200mm×200mm，上層模板(51)和下層模板的材料用有機玻璃，厚度為4mm，上層模板(51)和下層模板(52)之間的距離為53mm，上層模板(51)和下層模板(52)之間的聯(lián)接固定是通過螺釘(54)、(55)、(56)、(57)緊固的；上層模板(51)的標(biāo)記點我們采用正方形網(wǎng)格排列，每兩點之間的距離為40mm，下層模板(52)的標(biāo)記點采用圓形排列，共有兩個圓周，小圓半徑為50mm，大圓半徑為70mm；每個圓周上有16個標(biāo)記點。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，手術(shù)機械夾持具(60)是由機械接口(61)、支架(67)和引導(dǎo)機構(gòu)(62)構(gòu)成在機械接口(61)形似法藍(lán)盤，上面有四個銜接口(68)、(61)、(62)和(67)是固定連接，機械接口(61)的可與機器人末端力傳感器進(jìn)行聯(lián)接，引導(dǎo)機構(gòu)(62)呈凹形，凸出部分形成上位夾持具(63)和下位夾持具(64)，在上位夾持具(63)和下位夾持具(64)配合下，可以夾持各種手術(shù)器械工具，在引導(dǎo)機構(gòu)(62)引導(dǎo)的方向上進(jìn)行相應(yīng)的手術(shù)操作，其中上位夾持具(63)和下位夾持具(64)是可以按手術(shù)器械的粗細(xì)、大小進(jìn)行更換，螺釘(65)和螺釘(66)負(fù)責(zé)對更換的上位夾持具(63)和下位夾持具(64)進(jìn)行固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所說的腦外科設(shè)備系統(tǒng)，其特征是，注射器推進(jìn)機構(gòu)(30)的結(jié)構(gòu)是夾具(33)所形成的卡口(43)，在螺釘(31)、(32)的緊固配合下，將推進(jìn)機構(gòu)本體(34)與手術(shù)器械夾持具(60)固定聯(lián)接，直流電機(37)固定安裝在推進(jìn)機構(gòu)本體(34)上，直流電機(37)軸承與一個轉(zhuǎn)動輪(35)固定聯(lián)接，通過一條鋼絲繩(36)與滑板相連，當(dāng)直流電機(37)帶動轉(zhuǎn)動輪(35)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，滑板(38)可沿滑槽(39)上下移動；滑板與一個連桿(40)固定聯(lián)接，連桿(40)的頂部通過一個螺釘(41)又與一個擋板(42)相連；當(dāng)螺釘(41)松動時，擋板(42)可以左右轉(zhuǎn)動，便于安裝不同大小粗細(xì)的注射器(6)；當(dāng)螺釘(41)緊固時，擋板(42)也將固定，從而可以隨連桿(40)上下移動，推動注射器(6)完成放射性藥物的注入；是通過計算機(4)程序，應(yīng)用計算機(4)的A/D卡驅(qū)動直流電機(37)的。
7.機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，其特征在于，本發(fā)明設(shè)計了標(biāo)測定位、輔助手術(shù)和輔助治療的步驟和借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術(shù)，我們設(shè)計了二維圖像引導(dǎo)定位方法；借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術(shù)，我們設(shè)計了三維圖像引導(dǎo)定位方法；借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，已知道了定位框架(3)上的三個標(biāo)記點，我們所設(shè)計的微創(chuàng)傷定位的方法；和借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，已知道了定位框架(3)上的三個標(biāo)記點，我們所設(shè)計的無創(chuàng)傷定位的方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于本發(fā)明設(shè)計的標(biāo)測定位、輔助手術(shù)和輔助治療的步驟是(一)進(jìn)行標(biāo)測定位將病人的頭部固定在帶有N字形標(biāo)記的立體定位框架(3)上，讓病人躺在CT機(7)床上，進(jìn)行CT掃描(手術(shù)室之外的)，獲得若干相關(guān)的CT片；與此同時，對機器人(1)及有關(guān)相聯(lián)接的周邊設(shè)備進(jìn)行消毒，諸如測量標(biāo)定機械接口(70)，標(biāo)測釘(71)，手術(shù)器械夾持具(60)，雙層模板(50)，注射器推進(jìn)機構(gòu)(30)等；然后，將病人推出CT室，推進(jìn)手術(shù)室，再讓病人躺在手術(shù)床；一方面利用掃描儀(5)將CT圖片(26)數(shù)據(jù)輸入計算機(4)，用本發(fā)明研究開發(fā)的圖像引導(dǎo)軟件系統(tǒng)可以測定腦瘤的三維坐標(biāo)。另一方面將病人頭部定位框架(3)與手術(shù)床固定聯(lián)接，再通過本發(fā)明實現(xiàn)的力控制人機交互技術(shù)，用本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定方法，用本發(fā)明設(shè)計的測量標(biāo)定機械接口(70)和標(biāo)測釘(71)、或雙層模板(50)，完成手術(shù)操作空間與圖像規(guī)劃空間之間映射變換。然后，將機器人末端的有關(guān)測量標(biāo)定工具替換為本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具(60)裝置，利用機器人(1)輔助完成不同方向的直線軌跡規(guī)劃，但始終在手術(shù)器械夾持具(60)的引導(dǎo)下，將手術(shù)器械的探針保持將探針指向靶點。在分析比較確定機器人(1)規(guī)劃的最佳穿刺直線路徑后，實現(xiàn)立體定向手術(shù)的精確定位；(二)進(jìn)行相關(guān)手術(shù)控制機器人(1)按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近。在對病人顱骨上進(jìn)行局部麻醉后，借助本發(fā)明設(shè)計的手術(shù)器械夾持具(60)，進(jìn)行鉆孔并插入探針，并在計算機(4)控制下機器人(1)可以進(jìn)行微動精細(xì)地前進(jìn)或后退運動定位。獲得有關(guān)病灶點的活檢和囊液的抽取等；(三)注入放射液在手術(shù)器械夾持具(60)上安裝本發(fā)明設(shè)計的注射推進(jìn)機構(gòu)(30)，在計算機(4)的控制下，完成放射性同位素的注射。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于本發(fā)明設(shè)計的借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術(shù)，我們設(shè)計了二維圖像引導(dǎo)定位方法是借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術(shù)實現(xiàn)五個圖標(biāo)驅(qū)動下的可視化引導(dǎo)病灶點的定位，既a.圖標(biāo)功能之一是讀寫文件操作，它負(fù)責(zé)將CT或MRI圖像數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)并顯示在屏幕上，或者將修改的CT或MRI圖像數(shù)據(jù)存入文件，或者將完成定位的參數(shù)、病例報告輸出打印；b.圖標(biāo)功能之二是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示一個帶有標(biāo)尺的框架，利用鼠標(biāo)拖動這個顯示框架，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有立體定向框架的四個角，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示與實際腦部位置的坐標(biāo)變換關(guān)系；c.圖標(biāo)功能之三是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的橫向標(biāo)尺，利用鼠標(biāo)拖動這個標(biāo)尺，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有N字形標(biāo)記點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示Z軸深度的坐標(biāo)；d.圖標(biāo)功能之四是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的十字標(biāo)尺，利用鼠標(biāo)拖動這個標(biāo)尺，以便對準(zhǔn)CT或MRI圖像顯示的病人腦部病灶點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示X、Y軸的坐標(biāo)；e.圖標(biāo)功能之五是根據(jù)圖標(biāo)功能之二到之四的操作，通過幾何變換，計算出相對于立體定向框架儀的X、Y、Z坐標(biāo)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于本發(fā)明設(shè)計的借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術(shù)，設(shè)計的三維圖像引導(dǎo)定位方法是用六關(guān)節(jié)機械臂(9)作為觀測棒，在計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件開發(fā)環(huán)境平臺上，可以實現(xiàn)一個三維圖像引導(dǎo)的立體定向外科手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)；它首先可以完成二維圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括直方圖顯示、灰度范圍校準(zhǔn)(線性灰度變換、非線性灰度變換)、組織劃分、一系列CT掃描腦圖像對齊校準(zhǔn)以及CT層間的插值處理等；然后，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)三維圖像的重構(gòu)，并在計算機屏幕上用不同顏色顯示腦內(nèi)的不同解剖組織結(jié)構(gòu)；利用本發(fā)明設(shè)計的六關(guān)節(jié)機械臂(9)作為觀測棒，可以實現(xiàn)三維圖像的平移旋轉(zhuǎn)、放大縮小、任意切割平面等操作，并可以從不同角度，對預(yù)行手術(shù)操作的部位進(jìn)行測量定位，通過計算機程序，進(jìn)行坐標(biāo)變換，計算出機械臂末端的坐標(biāo)值，對手術(shù)穿刺直線軌跡在計算機的人腦三維圖像中進(jìn)行虛擬演示與規(guī)劃，觀察手術(shù)操作軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴(yán)重的影響，模擬同位素內(nèi)放療的結(jié)果等；明確地說我們可以利用六關(guān)節(jié)機械臂(9)，借助于六個關(guān)節(jié)上的電位器，測量出各個關(guān)節(jié)的角度，通過計算機(4)的A/D卡采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再利用計算機(4)的程序，進(jìn)行空間幾何坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，就可以算出機械臂末端的姿態(tài)和位置；對六關(guān)節(jié)機械臂(9)的操縱，對實際病人頭部表面的測量，就可以A.利用六關(guān)節(jié)機械臂(9)末端的姿態(tài)和位置，控制計算機(4)屏幕上三維圖象的旋轉(zhuǎn)；B.利用六關(guān)節(jié)機械臂(9)末端與實際病人頭部的遠(yuǎn)近，可以控制計算機4屏幕上三維圖象的放大或縮小；C.以六關(guān)節(jié)機械臂(9)末端的姿態(tài)定義一個平面，對計算機(4)屏幕上三維圖象進(jìn)行切割，便于觀察人體腦內(nèi)部的病灶靶點；基于上述三個功能，就可以借助對六關(guān)節(jié)機械臂(9)的操作，以其坐標(biāo)系為基點，來分析、觀察機器人手術(shù)穿刺直線的最佳位置和姿態(tài)，其手術(shù)操作直線軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴(yán)重的影響等；這一技術(shù)的凸出特點是借助于六關(guān)節(jié)機械臂(9)作為觀測棒，可以方便建立圖像操作的良好界面，以實現(xiàn)虛擬手術(shù)的操作和規(guī)劃，選擇最佳手術(shù)方案。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于本發(fā)明設(shè)計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，已知道了定位框架(3)上的三個標(biāo)記點，我們所設(shè)計的微創(chuàng)傷定位的方法是首先在人體頭部安裝的定位框架(3)上選擇定義三個標(biāo)記點，然后進(jìn)行CT掃描，獲得CT圖象；由于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，知道上述個標(biāo)記點，以這三個標(biāo)記點可以構(gòu)造一個空間坐標(biāo)系，稱之為CT圖象空間的標(biāo)記點三坐標(biāo)系，從而可以通過空間幾何變換，將CT圖象空間所所關(guān)心的病灶點映射到CT圖象中的標(biāo)記點坐標(biāo)系中；另一方面，當(dāng)帶著定位框架(3)的病人躺在手術(shù)床上以后，我們將測量標(biāo)定機械接口(70)的一端，通過螺釘固定在機器人末端力傳感器(2)上，再將測量標(biāo)定機械接口(70)的另一端安裝固定一個錐形標(biāo)測釘(71)，可以測量獲得手術(shù)操作空間的三個標(biāo)記點，以這三個標(biāo)定的標(biāo)記點又可以構(gòu)造一個空間坐標(biāo)系，稱之為手術(shù)操作空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系；由機器人在手術(shù)操作空間中通知上述三個標(biāo)記點，從而可以通過幾何變換，將手術(shù)操作空間中所關(guān)心的病灶點映射到標(biāo)記點坐標(biāo)系中，而且這種逆變換也是存在的，即標(biāo)記點坐標(biāo)系中的病灶點映射到機器人手術(shù)操作空間中；通過上述方法，CT圖象空間映射變換到CT圖象空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系中，CT圖象空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系與機器人手術(shù)操作空間中的標(biāo)記點坐標(biāo)系完全等價，從而再將上述變換將機器人手術(shù)操作空間中標(biāo)記點坐標(biāo)系映射變換到機器人手術(shù)操作空間，這就實現(xiàn)了CT圖象空間大到手術(shù)操作空間的變換。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所說的方法，其特征在于本發(fā)明設(shè)計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標(biāo)系中，已知道了定位框架(3)上的三個標(biāo)記點，我們所設(shè)計的無創(chuàng)傷定位的方法是首先將雙層模板(50)與機器人末端的測量標(biāo)定機械接口(70)通過螺釘固定連接，利用計算機(4)將機器人末端的雙層模板運動到待測部位的上方，然后將來成象設(shè)備C形X光機8移動到機器人末端雙層模板(50)的上方進(jìn)行拍照成象；由于雙層模板(50)上的標(biāo)記點不僅在X光圖象上是可見的，而且它們之間的位置關(guān)系在機器人坐標(biāo)中也是固定和已知的，從而可以通過雙層模板(50)上的標(biāo)記點，構(gòu)造一條穿過病灶靶點的空間直線族；然后，按上述方法將機器人末端雙層模板(50)和C形X光機(8)移動到待測部位的另一方位，又可以構(gòu)造出另一條穿過病灶靶點的空間直線族；當(dāng)病灶點是唯一的，則兩條空間直線族的交點就是我們待測量的三維坐標(biāo)病灶靶點；這種方法在病人身上沒有有損傷的標(biāo)記點，而是借助于本發(fā)明設(shè)計的雙層模板(50)，實現(xiàn)了醫(yī)療圖象與臨床手術(shù)操作空間的映射變換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一套進(jìn)行腦外科手術(shù)的設(shè)備系統(tǒng),它是借助于計算機和機器人,利用CT圖象,在本發(fā)明所設(shè)計的二維圖像引導(dǎo)定位方法、三維圖象引導(dǎo)定位方法、微創(chuàng)傷定位的方法、無創(chuàng)傷定位的方法的指導(dǎo)下,來準(zhǔn)確地測定腦病灶的位置,確定手術(shù)和內(nèi)治療的方案,并輔助進(jìn)行活檢、切除和腦內(nèi)放射液的注射等精細(xì)手術(shù),是利用高新技術(shù),尋找到的一種新的、更快、更靈活、更可靠、更精確、成本低的機器人腦外科設(shè)備系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法。
文檔編號B25J9/00GK1243690SQ97115258
公開日2000年2月9日 申請日期1997年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月27日
發(fā)明者王田苗, 田增民, 胡磊, 陳夢東, 佟國治 申請人:北京航空航天大學(xué)