CN111888011A - 一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法，涉及医疗机器人领域，主要包括底座、圆盘固定座、推杆装置、升降气动推杆。所述推杆装置在同一平面内均布四个，由气动推杆、推杆支架、弹簧、螺钉构成，是直接作用于乳腺组织的执行装置，在固定乳腺组织的同时可以实时调整肿瘤的位置。本发明设计了一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法用于辅助机器人进行乳腺介入手术，在手术过程中，可以实现引导肿瘤主动移向穿刺路径和敏感组织远离穿刺路径的作用，提高穿刺精度和手术效率。
Description
技术领域
本发明属于医疗机器人领域，具体涉及一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法。
背景技术
乳腺穿刺活检是检查乳腺肿瘤良恶性较为有效的组织学方法，但医生纯手工穿刺依然存在许多缺陷，在乳腺穿刺手术过程中，因为软组织与穿刺针存在复杂的交互形变机理，肿瘤靶点的位置会发生漂移，要想准确穿刺到肿瘤靶点，医生需要在穿刺过程中不断变换穿刺路径，甚至需要多次回撤针操作，这不仅增加了手术时间和病人的痛苦，对病人组织也产生一定的损伤。所以减少穿刺误差，提高穿刺的精确度是该领域的一项重要研究内容。随着现代医学影像设备和机器人技术的发展，使穿刺活检手术更加的精准高效，机器人辅助乳腺活检手术常使用的影像设备包括超声（US）、核磁共振（MRI）等，研究相对较多的为核磁共振引导，但是核磁共振的设备空间狭小，又要求机器人或其他装置具有材料兼容性、驱动兼容性等条件，即机器人放置在核磁兼容仪器内，不能干扰成像效果。
乳腺穿刺不同于***、胸腔等部位穿刺，***是位于人体外部的器官，同时乳腺组织的成分绝大部分是脂肪，具有较大的流动性，在穿刺过程中更容易变形，这对穿刺是不利的，所以必须设计一定的装置对其进行固定，减少其变形。以往的乳腺固定装置只是起到了固定乳腺的作用，功能单一又占据了核磁共振仪内部较大的空间。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法来进行问题的解决。该装置主要包括底座、固定座、推杆装置、升降气动推杆。所述推杆装置包括气动推杆、推杆支架、弹簧、螺钉。
优选的，所述升降气动推杆安装在底座上，固定座与升降气动推杆固定连接，升降气动推杆起到升降固定座的作用，推杆装置安装在固定座上。
优选的，执行压头为半球状，套接在气动推杆上，与乳腺组织接触，避免损伤乳腺组织。
优选的，气动推杆套接在推杆支架上，通过干摩擦进行锁紧。
优选的，弹簧固定安装在推杆支架上，起到定位的作用；螺钉顶在推杆支架上，与固定座上螺钉孔中的螺纹自锁，起到锁定推杆支架的作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本装置在实现乳腺组织固定和减少穿刺过程中组织形变的同时，结合乳腺组织的特点采用逆向思维，保持穿刺针路径不变，气动推杆可以控制肿瘤靶点主动移向穿刺路径和敏感组织主动远离穿刺路径，不仅减小了穿刺误差，提高了手术效率和安全性，还减少了机器人设计所需的自由度，进一步减小了机器人的体积。
附图说明
构成本申请的一部分的附图提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其他特征、优点和目的变得更加清晰，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定，在附图中。
图1是本发明的轴测图。
图2是推杆装置的示意图。
图3是本发明固定座零件的轴测图。
图4是病床的示意简图。
图5是靶点主动移位原理的示意图。
图6是气动推杆控制方法的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，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、***、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。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1、图2所示，本申请涉及一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法，该装置主要包括底座1、固定座2、推杆装置3、升降气动推杆5。所述升降气动推杆5安装在底座1上，固定座2与升降气动推杆5固定连接，推杆装置3安装在固定座2上，推杆装置3末端与乳腺组织4接触。所述推杆装置3由气动推杆301、推杆支架302、弹簧303、螺钉304、执行压头305构成。气动推杆301套接在推杆支架302上，通过干摩擦进行锁紧；弹簧303固定安装在推杆支架302上，螺钉304顶在推杆支架302上；执行压头305套接在气动推杆301的推杆上，执行压头305为半圆形，避免挤压乳腺组织时对组织造成损伤。
需要说明的是，如图4所示为与该装置搭配使用的核磁共振病床的示意图，在手术过程中，患者需要俯卧在病床上，手术对象（即乳腺组织）通过病床上的圆形开孔进入内部的手术环境中，乳腺组织受重力自然下垂，释放更大的操作空间，同时在一定程度上避免了因人体呼吸造成的靶点移位。本发明所介绍的一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置及其控制方法需放置于病床内部。
如图3所示，为本发明固定座2的一种实施例的轴测图，以方便读者更好地理解本发明。
如图1所示，升降气动推杆5安装在底座1上，推杆装置3安装在固定座2上，在本发明实施例中升降气动推杆5和推杆装置3具体型号和形状技术人员可根据实际需要选定，也可以是自行设计的模块，在本发明实施例中均做简化处理。本发明整体体积和部分结构体积尺寸，在本实施例中未做详细介绍，技术人员应本着在满足功能的前提下体积尽可能小的原则。
如图5所示为靶点主动移位原理的示意图，通过在乳腺组织周围均布线性执行器，驱动线性执行器作用于乳腺组织，控制敏感组织和障碍物远离穿刺路径，控制肿瘤目标移动到穿刺路径之下。为了保证核磁共振成像的实时性，该装置需要与机器人搭配使用，该装置不仅可以固定乳腺组织，还可以对其施加有利于减少穿刺误差的形变，减少了机器人姿态调整自由度，技术人员在设计机器人时，还可以将机器人所需自由度与该装置相结合，进一步减小机器人体积。需要注意的是，在穿刺过程中，穿刺针可以与肿瘤在同一截面位置水平穿刺，在该装置的辅助下只需要一个水平穿刺自由度且肿瘤不容易漂移出穿刺水平面之外；穿刺针的路径与肿瘤所在截面呈一定角度时，肿瘤可能会漂移到其他水平面，但是该装置仍可以控制肿瘤移动到穿刺路径之下。
在实际应用中，如图1、图2所示，推杆装置3安装在固定座2的开口槽内，弹簧303压紧固定座2开口槽的内壁，固定座2开口槽的底部设有与推杆支架302底部嵌装的导槽，螺钉304穿过固定座2上的螺纹孔顶住推杆装置3的推杆支架302，通过螺纹自锁，从而使推杆装置3的位置固定；在穿刺执行过程前，首先通过核磁共振仪成像配合医学图像处理或三维重建技术，确定肿瘤所在乳腺组织的位置，通过控制升降推杆5的升降，将气动推杆301末端调整到与肿瘤所在的截面位于同一水平面内，此时，旋转螺钉304调整推杆装置3的位置，以实现气动推杆301末端与乳腺组织4接触，该结构的设计是在实施肿瘤移位功能之前对不同体积的乳腺组织4实现初步定位和固定。然后结合靶点（肿瘤、敏感组织或障碍物）移位机理，使用PID控制算法与核磁共振实时图像控制气动推杆301运动挤压乳腺组织4变形，即可在活检穿刺过程中控制敏感组织远离穿刺路径、控制目标肿瘤靶点移动到穿刺路径下。
接下来对气动推杆的控制方法进行描述，如图6所示，控制方法采用基于前馈-反馈的PID控制***对气动推杆进行控制，目的在于提高***的抗干扰能力。反馈控制是对被控对象受到干扰后产生的偏差进行控制，具有滞后性和抖动的局限性；前馈控制是对干扰量进行控制，补偿干扰对被控变量的影响。在PID反馈控制***中加入前馈控制，可以对***的主要干扰进行粗调，减轻了反馈***的负担，进一步提高了控制***的响应速度，前馈控制可以实现无差调节，减小***的振荡。首先医生通过医学图像和计算机技术获得靶点的位置和选取合适的穿刺路径，确定靶点的期望位置r(t)，核磁共振实时成像用来反馈靶点运动的实际位置c(t)，期望位置与实际位置做差即为被控偏差e(t)，由PID反馈控制***来消除偏差e(t)，经PID三个环节运算后气动推杆的输出量为x(t)。穿刺针作用于乳腺组织，使肿瘤发生漂移，在本***中将穿刺针的作用力视为主要干扰量y(t)，干扰量可由力传感器测得，同时干扰量可由前馈控制器进行补偿。前馈控制器的传递函数一般为被控对象传递函数的倒数，因为被控对象为粘弹性软组织，可以简化为弹簧-阻尼-质点模型进行研究。
穿刺针分为刚性针与柔性针，本装置减小穿刺误差的方法是控制肿瘤靶点移位，要求穿刺路径不变，所以本装置适用于刚性针穿刺的手术场景，而乳腺活检手术最常用的是直径较粗的粗针穿刺，即刚性针穿刺。
需要注意的是，整个装置需要具有核磁兼容性，本实施例的线性执行器选用的是气动推杆，气压驱动具有核磁兼容性，在保证核磁兼容的条件下，技术人员还可以选用其他驱动或传动方式，例如：丝传动、软轴传动、超声波电机驱动、普通电机驱动等；装置材料应选用核磁兼容性的材料，例如工程塑料、铝合金等，不能使用铁磁性材料；为实现控制肿瘤沿任意方向移动的目的，线性执行器至少三个，每个间隔120度，本实施例选用四个气动推杆301，每个间隔90度。因为推杆挤压乳腺组织变形，需要施加作用力，所以为了避免推力对人体组织产生损伤，应通过仿真模型或软组织实验确定推力的最大阈值。
Claims (6)
1.一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置，其特征是：该装置包括底座（1）、固定座（2）、推杆装置（3）、升降气动推杆（5），所述推杆装置（3）包括气动推杆（301）、推杆支架（302）、弹簧（303）、螺钉（304）、执行压头（305）。
2.如权利要求1所述一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置，其特征是：所述升降气动推杆（5）安装在底座（1）上，固定座（2）与升降气动推杆（5）固定连接，升降气动推杆（5）起到升降固定座（2）的作用，推杆装置（3）安装在固定座（2）上。
3.如权利要求1所述一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置，其特征是：执行压头（305）为半球状，套接在气动推杆（301）上，与乳腺组织（4）接触，避免损伤乳腺组织（4）。
4.如权利要求1所述一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置，其特征是：气动推杆（301）套接在推杆支架（302）上，通过干摩擦进行锁紧。
5.如权利要求1所述一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置，其特征是：弹簧（303）固定安装在推杆支架（302）上，起到定位的作用；螺钉（304）顶在推杆支架（302）上，与固定座（2）上螺钉孔中的螺纹自锁，起到锁定推杆支架的作用。
6.一种基于核磁共振引导的乳腺组织固定装置的控制方法，其特征是：医生通过医学图像和计算机技术获得靶点的位置和选取合适的穿刺路径，然后确定靶点的期望位置，核磁共振实时成像用来反馈靶点运动的实际位置，期望位置与实际位置做差即为被控偏差，造成靶点移位的其他情况视为整个***的干扰，采用基于前馈-反馈的PID控制***对被控偏差和干扰量进行消除，目的在于提高***的抗干扰能力和***的响应速度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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