RU197062U1 - HIFU neoplasm thermal ablation robot - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к средствам для термической абляции новообразований. Робот для термической абляции новообразований методом HIFU содержит основание, на котором расположен блок управления и рука, состоящая из ряда последовательно связанных друг с другом подвижных звеньев, содержащих приводы вращения в шарнирах их сочленений, при этом на конечном звене установлена терапевтическая ультразвуковая головка с корпусом, в полости которого установлен излучатель HIFU, а по его оптической оси расположен диагностический датчик, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси излучателя, а также вращения вокруг неё, при этом датчик кинематически связан с приводом вращения, расположенным на свободном конце конечного звена робота. Между датчиком и приводом вращения конечного звена введён механизм преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика, который включает наружный полый цилиндрический корпус, жёстко связанный как с конечным звеном робота, так и корпусом ультразвуковой головки, при этом в полости корпуса установлен ходовой винт, соединённый с вращательным приводом конечного звена робота и смонтированный в гильзе, несущей на противоположном конце датчик и снабжённой закреплённым в её стенке штифтом, одним концом взаимодействующим с резьбой винта, а другим концом размещенным с возможностью перемещения в сквозной прорези, выполненной в корпусе и образованной сочетанием трёх участков, в частности, одним вертикальным, концы которого переходят в горизонтальные участки, выполненные в виде полуокружностей, ориентированных в противоположные стороны. Использование полезной модели позволяет повысить точность позиционирования диагностического датчика относительно области абляции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.The utility model relates to medical equipment, namely to means for thermal ablation of neoplasms. The robot for thermal ablation of neoplasms by the HIFU method contains a base on which the control unit and a hand are located, consisting of a series of movable links sequentially connected to each other, containing rotation drives in the joints of their joints, while a therapeutic ultrasonic head with a housing is installed on the final link the cavity of which a HIFU emitter is installed, and along its optical axis there is a diagnostic sensor installed with the possibility of reciprocating movement along the optical axis and the radiator, as well as the rotation around it, while the sensor is kinematically connected with the rotation drive located on the free end of the final link of the robot. Between the sensor and the drive of rotation of the final link, a mechanism has been introduced for converting the rotational movement of the drive into reciprocating and rotational motion of the sensor, which includes an external hollow cylindrical body, rigidly connected with both the final link of the robot and the body of the ultrasonic head, while the chassis has a chassis a screw connected to a rotary drive of the final link of the robot and mounted in a sleeve carrying a sensor at the opposite end and equipped with a pin fixed in its wall , one end interacting with the screw thread, and the other end placed for movement in a through slot made in the housing and formed by a combination of three sections, in particular, one vertical, the ends of which turn into horizontal sections made in the form of semicircles oriented in opposite directions . Using the utility model allows to increase the accuracy of the positioning of the diagnostic sensor relative to the ablation area. 1 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области медицины, а точнее медицинской техники, комплексно использующей ультразвук в диагностических и терапевтических целях. Полезная модель найдет преимущественное применение при удалении различного рода новообразований, например, таких как рак молочной и щитовидной желез и т.п. The utility model relates to the field of medicine, and more precisely, medical equipment that comprehensively uses ultrasound for diagnostic and therapeutic purposes. The utility model will find primary use in the removal of various neoplasms, for example, such as breast and thyroid cancer, etc.

Разделяют два способа воздействия фокусированного ультразвука на ткань.Two methods are distinguished for the effect of focused ultrasound on tissue.

Первый способ воздействия – механический. Используется при коротком импульсном воздействии акустическими сигналами высокой интенсивности. При этом под действием ультразвука в межклеточной жидкости происходит образование и активизация газовых пузырьков, которые приводят к возникновению акустических микропотоков и высоким сдвиговым напряжениям. Под действием этих напряжений пузырьки схлопываются и образуют большие давления, приводящие к разрыву ткани. При этом клетка разрушается и уменьшается в размерах.The first method of exposure is mechanical. It is used for short pulse exposure with high-intensity acoustic signals. In this case, under the action of ultrasound, the formation and activation of gas bubbles occurs in the intercellular fluid, which lead to the appearance of acoustic microflows and high shear stresses. Under the influence of these stresses, the bubbles collapse and form large pressures, leading to tissue rupture. In this case, the cell is destroyed and reduced in size.

Другой способ воздействия – термический. Данный тип воздействия используется при длительном облучении ультразвуком с относительно низкой интенсивностью. При этом акустическая энергия поглощается крупными молекулами, что, впоследствии, приводит к их нагреванию. Наиболее ярко тепловой эффект проявляется в коллагенсодержащих тканях. Известно, что интенсивное термическое воздействие приводит к разрушению клеток, на этом принципе и основан термический метод разрушения тканей.Another method of exposure is thermal. This type of exposure is used for prolonged exposure to ultrasound with a relatively low intensity. In this case, acoustic energy is absorbed by large molecules, which, subsequently, leads to their heating. The most pronounced thermal effect is manifested in collagen-containing tissues. It is known that intense thermal exposure leads to cell destruction, and the thermal method of tissue destruction is based on this principle.

При больших интенсивностях становится возможным разрушение клеток благодаря термическому воздействию на протяжении определенных промежутков времени. Причем, следует отметить, что большинство клеток злокачественных опухолей и болезнетворных организмов более чувствительны к гипотермии. Поэтому прогрев злокачественных образование может приводить к избирательному уничтожению клеток.At high intensities, cell destruction becomes possible due to thermal effects for certain periods of time. Moreover, it should be noted that most cells of malignant tumors and pathogens are more sensitive to hypothermia. Therefore, the heating of the malignant formation can lead to the selective destruction of cells.

Основной целью применения ультразвука в онкологии было нагреть ткани опухоли до температур, используемых в гипертермии (42–45ºС), сохраняя при этом нормальные ткани при обычной температуре.  The main purpose of using ultrasound in oncology was to heat the tumor tissue to the temperatures used in hyperthermia (42–45 ° C), while maintaining normal tissue at normal temperature.

Точная локализация акустического пучка должна минимизировать риск для нормальных тканей. Кроме того, нормальная мышечная ткань реагирует на повышение температуры увеличением кровотока, вызывая охлаждение ткани. Accurate localization of the acoustic beam should minimize the risk to normal tissues. In addition, normal muscle tissue responds to fever by increasing blood flow, causing tissue cooling.

Неинвазивное лечение и контроль - научная проблема, на решение которой направлено много усилий. В настоящее время ультразвуковые методы используются практически во всех областях медицинской практики и относятся к наиболее важным современным методам диагностики и лечения. Для диагностики достаточен УЗ низкой мощности, а для воздействия на ткани и сосуды необходим высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (международно принятая аббревиатура HIFU, high-intensity focused ultrasound). HIFU терапия - бурно развивающая технология, которая быстро охватывает новые области применения в медицине, благодаря своей высокой эффективности, отсутствию побочных эффектов и невысокой себестоимости процедуры по сравнению с лучевой терапией и химиотерапией.Non-invasive treatment and control is a scientific problem, the solution of which is a lot of effort. Currently, ultrasound methods are used in almost all areas of medical practice and are among the most important modern methods of diagnosis and treatment. Ultrasound of low power is sufficient for diagnosis, and high-intensity focused ultrasound (the internationally accepted abbreviation HIFU, high-intensity focused ultrasound) is required for exposure to tissues and blood vessels. HIFU therapy is a rapidly developing technology that quickly covers new fields of application in medicine due to its high efficiency, the absence of side effects and the low cost of the procedure compared to radiation therapy and chemotherapy.

При неинвазивном воздействии на патологические образования фокусированным ультразвуком высокой интенсивности актуален контроль состояния биологических тканей. With a non-invasive effect on pathological formations by focused ultrasound of high intensity, the state of biological tissues is relevant.

В последние десятилетия активно разрабатывают акустические методы и технические средства для решения этой задачи. In recent decades, acoustic methods and technical means have been actively developed to solve this problem.

Исходя из сказанного, актуальной является задача одновременного применения в одном аппаратном комплексе технологий как терапевтического, так и диагностического ультразвука. Based on the foregoing, the urgent task is the simultaneous application in the same hardware complex of technologies of both therapeutic and diagnostic ultrasound.

В целом результаты значительного числа исследований по ультразвуковой гипертермии опухолей позволяют сделать следующие выводы:In general, the results of a significant number of studies on ultrasound hyperthermia of tumors allow us to draw the following conclusions:

1. Ультразвук может эффективно прогревать глубоко расположенные ткани без существенного перегрева поверхностных тканей. Противоопухолевая эффективность локальной ультразвуковой гипотермии, по данным научной литературы, скорее выше, чем при использовании других гипертермических методов.1. Ultrasound can effectively warm deeply located tissues without significant overheating of surface tissues. The antitumor efficacy of local ultrasound hypothermia, according to the scientific literature, is rather higher than when using other hyperthermic methods.

2. Ультразвук может быть сфокусирован в любом ограниченном по размерам участке мягких биологических, в том числе опухолевых тканей. С его помощью можно создавать в глубоких тканях достаточно равномерные температурные распределения в областях объемом до 100 – 150 см³. При этом большое значение приобретают вопросы тщательного контроля температуры в различных участках опухоли.2. Ultrasound can be focused in any size-limited area of soft biological, including tumor, tissue. With its help, it is possible to create fairly uniform temperature distributions in deep tissues in areas up to 100 - 150 cm ³ in volume. At the same time, questions of careful temperature control in various parts of the tumor are of great importance.

3. Ультразвук является неионизирующим излучением. В литературе отсутствуют данные, что при его использовании в гипертермии опухолей наблюдаются серьезные побочные эффекты типа метастазирования опухолей, иммунологических нарушений, изменение митотического индекса и т.п.3. Ultrasound is non-ionizing radiation. There is no data in the literature that when it is used in hyperthermia of tumors, serious side effects such as tumor metastasis, immunological disorders, a change in the mitotic index, etc. are observed.

4. Коэффициент поглощения ультразвука в опухолевых тканях больше, чем в нормальных. Это означает, что, при прочих равных условиях, опухолевая ткань при действии ультразвука нагревается больше, чем нормальная. Это обстоятельство оказывается существенным при воздействии на большую опухоль, когда особенно важно прогреть ее центральную часть, которая не поддается химиотерапии из-за плохого кровотока и обычно является радиоустойчивой.4. The absorption coefficient of ultrasound in tumor tissues is greater than in normal. This means that, ceteris paribus, the tumor tissue under the action of ultrasound heats up more than normal. This circumstance is significant when exposed to a large tumor, when it is especially important to warm its central part, which is not amenable to chemotherapy due to poor blood flow and is usually radio-stable.

5. Ультразвуковая аппаратура для гипертермии опухолей относительно проста и недорога. Принципиально она может быть совмещена с ультразвуковой техникой для визуализации тканей организма, в частности опухолей. При этом гипертермическая процедура может проводиться с помощью одной и той же акустической системы в два этапа: поиск опухоли в контрольно-диагностическом режиме и ее нагрев в режиме активного воздействия за счет использования фокусированного ультразвука.5. Ultrasound equipment for hyperthermia of tumors is relatively simple and inexpensive. Basically, it can be combined with ultrasound technology to visualize body tissues, in particular tumors. In this case, the hyperthermic procedure can be carried out using the same acoustic system in two stages: search for a tumor in the control and diagnostic mode and its heating in the active exposure mode through the use of focused ultrasound.

Важным фактором является возможность точного контроля процедуры. В настоящее время это осуществляется двумя путями: ультразвуковым мониторингом в реальном времени или с помощью МРТ. При использовании для контроля МРТ ориентация осуществляется с помощью температурного картирования, которое может быть эффективно использовано при соблюдении условия неподвижности облучаемого объекта.An important factor is the ability to accurately control the procedure. Currently, this is done in two ways: by real-time ultrasound monitoring or by MRI. When used for monitoring MRI, orientation is carried out using temperature mapping, which can be effectively used while observing the immobility of the irradiated object.

При ультразвуковом наведении диагностический датчик располагается внутри или рядом с терапевтическим излучателем для четкой визуализации зоны абляции. И, несмотря на то, что МРТ дает лучшую визуальную картину, ультразвук, безусловно, имеет преимущества по стоимости и доступности, меньшим временным затратам, возможности регистрации изменений в очаге в режиме реального времени. With ultrasonic guidance, the diagnostic sensor is located inside or next to the therapeutic emitter for clear visualization of the ablation zone. And, despite the fact that MRI gives a better visual picture, ultrasound certainly has advantages in cost and accessibility, less time, and the ability to record changes in the focus in real time.

Как отмечено выше, наиболее перспективным направлением в развитии медицинской ультразвуковой техники является комплексное использование диагностических и терапевтических возможностей ультразвука, сконцентрированных технически в одном приборе. В настоящее время широкое распространение в медицинской практике получило раздельное использование диагностического прибора УЗ и излучателя HIFU. Типичным отражением такого подхода является конструкция, описанная в ЕР 2638932. Однако понимание преимуществ объединения ультразвуковой диагностики и терапии в одном устройстве стимулировало творческую активность ученых и изобретателей, которая привела к появлению значительного количества оригинальных идей в рассматриваемом направлении. Идеологическая основа комплексного ультразвукового прибора может быть продемонстрирована конструкцией, описанной в патенте RU 2644932, особенностью которой, как и подавляющего числа аналогичных комплексных приборов, является соосное размещение диагностического ультразвукового датчика и излучателя HIFU в одном корпусе. Следует отметить, что практическая медицина начинает освоение первых промышленно выпускаемых образцов. Научно-технический прогресс в создании комплексного ультразвукового прибора сделал актуальным дальнейшее совершенствование ультразвуковой медицинской техники, в частности, в направлении синтеза комплексного прибора HIFU с с роботизированной системой. Такое сочетание выглядит перспективным, учитывая огромные достижения такой области науки, как мехатроника, органично соединяющая механические системы, например, роботы с последними достижениями электроники, результатом чего является создание интеллектуальных машин, способных осуществлять самостоятельно даже сложные хирургические операции. В этом плане наметилась отчетливая тенденция, заключающаяся в оснащении роботов ультразвуковыми комплексными приборами, предназначенными для решения целого ряда медицинских проблем, в частности, требующих неинвазивного хирургического вмешательства.As noted above, the most promising direction in the development of medical ultrasound equipment is the integrated use of diagnostic and therapeutic capabilities of ultrasound, technically concentrated in one device. Currently, the widespread use in medical practice of the separate use of an ultrasound diagnostic device and a HIFU emitter. A typical reflection of this approach is the design described in EP 2638932. However, the understanding of the advantages of combining ultrasound diagnostics and therapy in one device stimulated the creative activity of scientists and inventors, which led to the emergence of a significant number of original ideas in this direction. The ideological basis of a complex ultrasonic device can be demonstrated by the design described in patent RU 2644932, a feature of which, like the overwhelming number of similar complex devices, is the coaxial placement of the diagnostic ultrasonic sensor and HIFU emitter in one case. It should be noted that practical medicine begins the development of the first industrially produced samples. Scientific and technological progress in the creation of a comprehensive ultrasonic device made it relevant to further improve ultrasonic medical equipment, in particular, in the direction of the synthesis of a complex HIFU device with a robotic system. This combination looks promising, given the huge achievements of such a field of science as mechatronics, which organically combines mechanical systems, for example, robots with the latest achievements of electronics, which results in the creation of intelligent machines capable of independently performing even complex surgical operations. In this regard, a distinct trend has been outlined, which consists in equipping robots with ultrasonic complex devices designed to solve a number of medical problems, in particular, requiring non-invasive surgical intervention.

В этом плане показательной является конструкция медицинского робота, снабжённого комплексом ультразвукового диагностического и терапевтического оборудования, описанная в патенте US 20050154431. Робот снабжен «контроллером терапии» - отвечающим за планирование, координацию и выполнение медицинских процедур. Контроллер представляет собой компьютерное устройство с достаточными аппаратными и программными ресурсами для обеспечения, управления и контроля всей системы робота, а именно, контроль терапевтической головки излучателя энергии и механики робота. Под терапевтической головкой понимается корпус для размещения всех технических средств, имеющих отношение к аппликатору энергии (излучателю). Система 10 (робототехническая система) имеет сканирующую головку 500, которая включает в себя излучатель энергии (излучатель HIFU) и резервуар для жидкости. (Примечание: при описании аналога использованы номера позиций отдельных узлов и деталей, указанные в патенте). Система 10 имеет средство для подвешивания сканирующей головки 500 в виде рычага 20. Вес механической части робота с учетом веса головки 500 позволяет вручную перемещать эту головку в пространстве или эту операцию можно осуществлять путем использования робота под контролем компьютера 400, являющегося в роботе интеллектуальным устройством. Роботизированная система 10 имеет основание 100, снабженное опорами качения. Плечи робота (звенья) соединяются между собой с помощью шарниров, сопряженных с электроприводами. Сканирующая головка 500 представляет собой корпус, внутри которого размещены излучатель энергии и другие дополнительные устройства. Терапевтическая головка выполнена в виде перевернутой чашки или колокола, имеющего камеру с отверстием в нижней части головки. Камера разделена на две секции, образуя верхнюю и нижнюю камеры с уплотнением между ними. Верхняя из камер содержит такие электронные и моторные приводы, которые необходимы для манипуляции и управления излучателем HIFU. Нижняя камера содержит собственно излучатель HIFU, жидкость для ультразвуковой связи и датчики, определяющие правильность работы роботизированной системы. Система дегазации находится в основании 100, но имеет контур 712 для жидкости, которая проходит к нижней камере 502. Корпус излучателя шарнирно сопряжен с последним звеном робота. Терапевтическая головка 50 содержит моторные приводы 508 и 510 для перемещения излучателя HIFU внутри камеры. Приводы в виде электродвигателей соединены через редуктор с парой ходовых шатунов 520 и 528, которые, в свою очередь, перемещают пару исполнительных механизмов в виде подвижных тяг, снабженных прорезями, движущихся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. По мере того, как ходовые шатуны вращаются в ответ на вращение электродвигателей, исполнительные механизмы переносят излучатель по всему диапазону перемещения подвижных тяг. Робот имеет систему дегазации, предназначенную для удаления газа из раствора, который выполняет и функцию охлаждения излучателя, создавая для последнего благоприятные рабочие условия. Терапевтическая головка 500 включает в себя многочисленные датчики, расположенные снаружи нижней камеры и обеспечивающие безопасные условия работы головки. Основу чувствительной системы головки составляют сенсорные и тактильные датчики. Последние работают в сочетании с устройством измерения нагрузки, которая используется для поддержания контакта терапевтической головки с телом пациента. Устройство нагрузки является частью механизма генерирования силы руки робота достаточной, чтобы поддержать терапевтическую головку в постоянном контакте с поверхностью кожи пациента. Излучатель HIFU имеет диагностический ультразвуковой элемент, используемый для сканирования внутренних тканей пациента. Сканер центрирован для просмотра фокальной зоны излучателя HIFU и может работать в режиме циклического или непрерывного сканирования. Излучатель HIFU образован множеством отдельных излучателей, объединенных в одно устройство и работающих совместно во время лечебной процедуры. Сканирующая головка соединяется вместе с пациентом с помощью ультразвукового связующего агента, который может быть представлен специальным акустическим гелем, или жидкостью, циркулирующей внутри головки. In this regard, the design of a medical robot equipped with a set of ultrasound diagnostic and therapeutic equipment, described in US 20050154431, is indicative. The robot is equipped with a “therapy controller” - responsible for planning, coordinating and performing medical procedures. The controller is a computer device with sufficient hardware and software resources to provide, control and monitor the entire robot system, namely, the control of the therapeutic head of the energy emitter and the mechanics of the robot. The therapeutic head is understood to mean a housing for accommodating all technical equipment related to the energy applicator (emitter). System 10 (robotic system) has a scanning head 500, which includes an energy emitter (HIFU emitter) and a fluid reservoir. (Note: in the description of the analogue, the position numbers of individual units and parts indicated in the patent were used). The system 10 has means for suspending the scanning head 500 in the form of a lever 20. The weight of the mechanical part of the robot, taking into account the weight of the head 500, allows you to manually move this head in space or this operation can be performed by using the robot under the control of a computer 400, which is an intelligent device in the robot. The robotic system 10 has a base 100 provided with rolling bearings. The shoulders of the robot (links) are interconnected using hinges coupled with electric drives. The scanning head 500 is a housing within which an energy emitter and other additional devices are placed. The therapeutic head is made in the form of an inverted cup or bell having a chamber with an opening in the lower part of the head. The chamber is divided into two sections, forming the upper and lower chambers with a seal between them. The top of the chambers contains such electronic and motor drives that are necessary for the manipulation and control of the HIFU emitter. The lower chamber contains the actual HIFU emitter, fluid for ultrasonic communication and sensors that determine the correct operation of the robotic system. The degassing system is located at the base 100, but has a fluid circuit 712 that extends to the lower chamber 502. The emitter body is articulated to the last link of the robot. The therapeutic head 50 comprises motor drives 508 and 510 for moving the HIFU emitter within the chamber. Drives in the form of electric motors are connected through a gearbox to a pair of connecting rods 520 and 528, which, in turn, move a pair of actuators in the form of movable rods equipped with slots moving along the guide rods carrying the HIFU emitter. As the connecting rods rotate in response to the rotation of the electric motors, the actuators carry the emitter over the entire range of movement of the movable rods. The robot has a degassing system designed to remove gas from the solution, which also performs the function of cooling the emitter, creating favorable operating conditions for the latter. The therapeutic head 500 includes numerous sensors located outside the lower chamber and providing a safe working environment for the head. The basis of the sensitive head system are sensory and tactile sensors. The latter work in conjunction with a load measuring device, which is used to maintain contact of the therapeutic head with the patient’s body. The load device is part of the mechanism for generating robot arm strength sufficient to maintain the therapeutic head in constant contact with the patient’s skin surface. The HIFU emitter has a diagnostic ultrasound element used to scan the patient’s internal tissues. The scanner is centered to view the focal zone of the HIFU emitter and can operate in the mode of cyclic or continuous scanning. The HIFU emitter is formed by many separate emitters, combined into one device and working together during the treatment procedure. The scanning head is connected with the patient using an ultrasonic bonding agent, which can be represented by a special acoustic gel, or a fluid circulating inside the head.

Недостатком аналога является то, что функция манипулирования излучателем HIFU полностью возложена на конструкцию терапевтической головки. Для этого последняя снабжена совокупностью электронных и моторных приводов, которые посредством редуктора с парой ходовых шатунов кинематически связаны с подвижными тягами, снабженными прорезями, которые движутся вдоль направляющих стержней, несущих излучатель HIFU. При вращении двигателя моторного привода ходовые шатуны активируют исполнительный механизм, который переносит излучатель HIFU в определенное положение по всему диапазону подвижных тяг. Необходимость для терапевтической головки обеспечивать манипулирование излучателем HIFU значительно усложняет её конструкцию, как и конструкцию робота, и снижает надежность работы робототехнической системы в целом. Кроме того, способность манипулирования излучателем в терапевтической головке не означает, что имеется возможность манипулирования и диагностическим датчиком. Это обстоятельство снижает функциональные возможности робота. The disadvantage of the analogue is that the function of manipulating the HIFU emitter is fully entrusted to the design of the therapeutic head. To do this, the latter is equipped with a combination of electronic and motor drives, which are kinematically connected with movable rods equipped with slots, which move along the guide rods carrying the HIFU emitter, through a gearbox with a pair of connecting rods. During rotation of the motor-drive motor, the connecting rods activate the actuator, which transfers the HIFU emitter to a specific position over the entire range of movable rods. The need for the therapeutic head to provide manipulation of the HIFU emitter greatly complicates its design, as well as the design of the robot, and reduces the reliability of the robotic system as a whole. In addition, the ability to manipulate the emitter in the therapeutic head does not mean that it is possible to manipulate the diagnostic sensor. This circumstance reduces the functionality of the robot.

Конструкция прототипа описана в полезной модели RU 188743, достоинством которой является то, что на механизмы робота возложена функция манипулирования не только излучателем, но и диагностическим датчиком, что упрощает конструкцию терапевтической головки, а значит и конструкцию всей робототехнической системы, в конечном итоге, ведущему к повышению надежности работы системы в целом и улучшению её функциональных возможностей.The prototype design is described in the utility model RU 188743, the advantage of which is that the robot mechanisms are assigned the function of manipulating not only the emitter, but also the diagnostic sensor, which simplifies the design of the therapeutic head, and therefore the design of the entire robotic system, ultimately leading to improving the reliability of the system as a whole and improving its functionality.

Робот для термической абляции новообразований методом HIFU по RU 188743 содержит основание 1, на котором располагается блок 2 управления всей работой робота (Примечание: при описании прототипа Робот для термической абляции новообразований методом HIFU по RU188743 использованы номера позиций отдельных узлов и деталей, указанные в патенте). На основании 1 смонтирована рука 3, состоящая из ряда звеньев 4, связанных между собой посредством шарниров 5, обеспечивающих руке 3 различные степени свободы для манипулирования в пространстве терапевтической ультразвуковая головкой 6, закрепленной на конечном звене 4А руки 3. Перемещение звеньев 4 относительно друг друга обеспечивается наличием в каждом шарнире 5 привода, включающего электродвигатель 7, который имеется также на свободном конце конечного звена 4А. Головка 6 включает корпус 8, выполненный в виде колокола, во внутренней полости которого установлен сферический излучатель HIFU 9, по оптической оси 10 которого в корпусе 8 смонтирован диагностический ультразвуковой датчик 11, прикрепленный к ротору электродвигателя 7 звена 4А робота, что, в конечном итоге, обеспечивает возможность датчику 11 перемещаться в возвратно-поступательном режиме вдоль оптической оси 10 относительно излучателя HIFU 9 при неподвижности корпуса 8, когда последний находится в контакте с поверхностью тела пациента 12. Кроме того, благодаря связи датчика 11 с ротором электродвигателя 7 датчик получает возможность вращения вокруг оси 10. Неразъёмность датчика 11 и излучателя HIFU 9 в корпусе 8 терапевтической головки 6 достигается наличием упора 13 на конце датчика 11. Позициями 14А, 14Б, 14В, 14Д на чертеже обозначены различные положения фокуса 14, а эллипсом 15 условно обозначена зона охвата пространства диагностического датчика. Позицией 16 обозначено новообразование.The robot for thermal ablation of neoplasms by the HIFU method in accordance with RU 188743 contains a base 1 on which the unit 2 for controlling the entire operation of the robot is located (Note: when describing the prototype the robot for thermal ablation of neoplasms by the HIFU method according to RU188743 uses the position numbers of individual units and parts indicated in the patent) . On the basis of 1 mounted arm 3, consisting of a number of links 4, interconnected by hinges 5, providing the arm 3 with various degrees of freedom for manipulating in space therapeutic ultrasonic head 6, mounted on the final link 4A of the arm 3. The movement of the links 4 relative to each other is provided the presence in each hinge 5 of the drive, including an electric motor 7, which is also available on the free end of the end link 4A. The head 6 includes a housing 8, made in the form of a bell, in the inner cavity of which a spherical emitter HIFU 9 is installed, along the optical axis 10 of which a diagnostic ultrasonic sensor 11 is mounted in the housing 8, attached to the rotor of the electric motor 7 of the robot link 4A, which, ultimately, allows the sensor 11 to move in a reciprocating mode along the optical axis 10 relative to the emitter HIFU 9 when the housing 8 is stationary, when the latter is in contact with the surface of the patient’s body 12. In addition to oh, due to the connection of the sensor 11 with the rotor of the electric motor 7, the sensor is able to rotate around the axis 10. The integrality of the sensor 11 and the emitter HIFU 9 in the housing 8 of the therapeutic head 6 is achieved by the stop 13 at the end of the sensor 11. Positions 14A, 14B, 14B, 14D in the drawing various positions of the focus 14 are indicated, and an ellipse 15 conventionally indicates the coverage area of the space of the diagnostic sensor. Position 16 denotes a neoplasm.

Как показал опыт эксплуатации многозвенных роботов в различных сферах их применения, конструкция даже самых совершенных из них не даёт гарантии по соблюдению точности намеченной траектории перемещения конечного звена. Причиной этого является накапливание ошибок по отработке намеченных координат, пусть даже незначительных, от начального звена робота к его конечному звену. Следовательно, перемещение диагностического датчика с помощью руки робота не гарантирует его точного позиционирования относительно точки приложения терапевтического фокуса ультразвука, т.е. точки абляции. Кроме того, при переходе от режима механического торможения звеньев робота к электронному режиму происходит непредсказуемое по траектории движение этих звеньев, что значительно влияет на точность позиционирования перемещаемого роботом диагностического датчика.As experience in operating multi-link robots in various fields of their application has shown, the design of even the most advanced of them does not guarantee the observance of the accuracy of the intended trajectory of movement of the final link. The reason for this is the accumulation of errors in working out the intended coordinates, even if insignificant, from the initial link of the robot to its final link. Therefore, moving the diagnostic sensor with the help of a robot arm does not guarantee its accurate positioning relative to the point of application of the therapeutic focus of ultrasound, i.e. ablation points. In addition, during the transition from the mechanical braking mode of the robot links to the electronic mode, the movement of these links is unpredictable along the trajectory, which significantly affects the accuracy of the positioning of the diagnostic sensor moved by the robot.

Таким образом, задачей полезной модели является увеличение точности позиционирования диагностического датчика в процессе термической абляции биологического объекта методом HIFU.Thus, the objective of the utility model is to increase the accuracy of the positioning of the diagnostic sensor in the process of thermal ablation of a biological object using the HIFU method.

Поставленная задача решается за счёт того, что в роботе для термической абляции новообразований методом HIFU, содержащем основание, на котором расположен блок управления и рука, состоящая из ряда последовательно связанных друг с другом подвижных звеньев, содержащих приводы вращения в шарнирах их сочленений, при этом на конечном звене установлена терапевтическая ультразвуковая головка с корпусом, в полости которого установлен излучатель HIFU, а по его оптической оси расположен диагностический датчик, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси излучателя, а также вращения вокруг неё, при этом датчик кинематически связан с приводом вращения, расположенным на свободном конце конечного звена робота, между датчиком и приводом вращения конечного звена введён механизм преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика, который включает наружный полый цилиндрический корпус, жёстко связанный как с конечным звеном робота, так и корпусом ультразвуковой головки, при этом в полости корпуса установлен ходовой винт, соединённый с вращательным приводом конечного звена робота и смонтированный в гильзе, несущей на противоположном конце датчик и снабжённой закреплённым в её стенке штифтом, одним концом взаимодействующим с резьбой винта, а другим концом размещенным с возможностью перемещения в сквозной прорези, выполненной в корпусе и образованной сочетанием трёх участков, в частности, одним вертикальным, концы которого переходят в горизонтальные участки, выполненные в виде полуокружностей, ориентированных в противоположные стороны. Кроме того, корпус снабжен дополнительной направляющей прорезью для подвижного размещения в ней узла ввода электрических проводников, обслуживающих диагностический датчик, закрепленный на гильзе, при этом дополнительная прорезь расположена ниже первой и полностью повторяет её форму.The problem is solved due to the fact that in a robot for thermal ablation of neoplasms using the HIFU method, which contains a base on which the control unit and a hand are located, consisting of a number of movable links sequentially connected to each other containing rotation drives in the joints of their joints, while the final link has a therapeutic ultrasonic head with a housing in the cavity of which a HIFU emitter is installed, and along its optical axis there is a diagnostic sensor mounted with the possibility of return - translational movement along the optical axis of the emitter, as well as rotation around it, while the sensor is kinematically connected with a rotation drive located on the free end of the robot end link, between the sensor and the end link rotation drive, a mechanism for converting the rotational movement of the drive into reciprocating and rotational the movement of the sensor, which includes an external hollow cylindrical body, rigidly connected with both the final link of the robot and the body of the ultrasonic head, while in the cavity of the housing there is a lead screw connected to the rotary drive of the robot end link and mounted in a sleeve that carries a sensor on the opposite end and is equipped with a pin fixed in its wall, interacting with the screw thread at one end and moving with the other end in a through slot made in case and formed by a combination of three sections, in particular, one vertical, the ends of which turn into horizontal sections, made in the form of semicircles oriented in the opposite direction good sides. In addition, the housing is equipped with an additional guide slot for movable placement in it of the input node of the electrical conductors serving the diagnostic sensor mounted on the sleeve, while the additional slot is located below the first one and completely repeats its shape.

Технический результат полезной модели заключается в том, что при перемещении диагностического датчика в терапевтической процедуре исключается манипулирование многозвенной рукой робота и весь процесс сводится к работе только привода вращения конечного звена. Это достигается за счёт введения между ультразвуковой головкой и конечным звеном робота механизма преобразования вращательного движения привода этого звена в возвратно-поступательное и вращательное движение диагностического датчика. Такое техническое решение ведёт к повышению точности позиционирования диагностического датчика относительно области абляции.The technical result of the utility model consists in the fact that when moving the diagnostic sensor in the therapeutic procedure, manipulation of the multi-link arm of the robot is excluded and the whole process is reduced to the operation of only the drive for rotating the final link. This is achieved by introducing between the ultrasonic head and the robot end link a mechanism for converting the rotational movement of the drive of this link into the reciprocating and rotational motion of the diagnostic sensor. Such a technical solution leads to an increase in the accuracy of the positioning of the diagnostic sensor relative to the ablation area.

На прилагаемых к описанию чертежах даны следующие изображения:The following images are given in the drawings appended to the description:

- на фиг. 1 – схематическое изображение общего вида робота;- in FIG. 1 is a schematic representation of a general view of a robot;

- на фиг. 2 – схематическое изображение продольного сечения по блоку, состоящему из механизма преобразования вращательного движения и ультразвуковой головки.- in FIG. 2 is a schematic representation of a longitudinal section through a block consisting of a rotational movement conversion mechanism and an ultrasonic head.

Робот для термической абляции новообразований методом HIFU содержит основание 1, на котором располагается блок 2 управления всей работой робота. На основании 1 смонтирована рука 3, состоящая из ряда звеньев 4, связанных между собой посредством шарниров 5, обеспечивающих руке 3 различные степени свободы для манипулирования в пространстве терапевтической ультразвуковой головкой 6, закрепленной на конечном звене 4А руки 3. Перемещение звеньев 4 относительно друг друга обеспечивается наличием в каждом шарнире 5 привода, включающего электродвигатель 7, который имеется также на свободном конце конечного звена 4А. Головка 6 включает корпус 8, выполненный в виде колокола, во внутренней полости которого установлен сферический излучатель HIFU 9, по оптической оси 10 которого в корпусе 8 смонтирован диагностический ультразвуковой датчик 11. С целью обеспечения возвратно-поступательного и вращательного движения диагностического датчика 11, между ультразвуковой головкой 6, а точнее, датчиком 11 и приводом вращения конечного звена 4А (электродвигателем 7), введён механизм 12 преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика 11. Механизм 12 содержит наружный, цилиндрический и полый корпус 13, который жёстко связан с наружным корпусом 14 электродвигателя 7, смонтированного на конечном звене 4А робота, а также с корпусом 8 ультразвуковой головки 6. В полости корпуса 13 расположена передача типа «винт-гайка», представленная ходовым винтом 15, выполненным в виде цилиндра, на поверхности которого имеется винтообразная канавка 16 (резьба). Винт 15 жёстко связан с ротором 17 электродвигателя 7 и помещён с возможностью вращения в гильзе 18, несущей на другом (нижнем) конце диагностический датчик 11. Верхний конец гильзы 18 снабжён штифтом 19, радиально ориентированным и закрепленным в её стенке. Конец штифта 19, обращенный к винту 15 размещен в канавке 16, т.е. имеет возможность постоянного контакта с резьбой и взаимодействия с винтом 15 при его вращении. Противоположный конец штифта 19 находится в сквозной прорези корпуса 13, которая образована тремя, связанными между собой (сообщающимися) участками 20, 21 и 22. Участки 20 и 22 выполнены горизонтальными и в виде полуокружностей, т.е. повторяющими форму стенки корпуса 13. Участок 21, соединяющий концы участков 20 и 22, выполнен вертикальным. В совокупности все участки придают прорези зигзагообразную форму. На корпусе 13 ниже основной прорези расположена дополнительная прорезь 23, отличающаяся от основной только шириной собственно прорези. В дополнительной прорези 23 размещен узел 24 ввода электрических проводов 25 для обслуживания диагностического датчика 11, закреплённый на гильзе 18. Для пояснения процесса использования робота в процедуре термической абляции методом HIFU на фиг.1 позицией 26 изображён исследуемый биологический объект, позицией 27 - новообразование, позицией 28 – фокус ультразвукового излучения.The robot for thermal ablation of neoplasms by the HIFU method contains a base 1, on which is located a block 2 for controlling the entire operation of the robot. On the basis of 1 mounted arm 3, consisting of a number of links 4, interconnected by means of hinges 5, providing the arm 3 with various degrees of freedom for manipulating in space a therapeutic ultrasonic head 6, mounted on the final link 4A of the arm 3. The movement of the links 4 relative to each other is provided the presence in each hinge 5 of the drive, including an electric motor 7, which is also available on the free end of the end link 4A. The head 6 includes a housing 8, made in the form of a bell, in the inner cavity of which a spherical emitter HIFU 9 is installed, along the optical axis 10 of which a diagnostic ultrasonic sensor 11 is mounted in the housing 8. In order to provide reciprocating and rotational movement of the diagnostic sensor 11, between the ultrasonic the head 6, or rather, the sensor 11 and the rotation drive of the final link 4A (electric motor 7), introduced a mechanism 12 for converting the rotational movement of the drive into reciprocating and rotational movement of the sensor 11. The mechanism 12 includes an outer, cylindrical and hollow body 13, which is rigidly connected with the outer case 14 of the electric motor 7 mounted on the final link 4A of the robot, as well as with the body 8 of the ultrasonic head 6. In the cavity of the body 13 there is a screw-type transmission "nut", represented by a lead screw 15, made in the form of a cylinder, on the surface of which there is a helical groove 16 (thread). The screw 15 is rigidly connected to the rotor 17 of the electric motor 7 and rotatably placed in a sleeve 18 carrying a diagnostic sensor 11 on the other (lower) end 11. The upper end of the sleeve 18 is provided with a pin 19 radially oriented and fixed in its wall. The end of the pin 19 facing the screw 15 is located in the groove 16, i.e. has the ability to constant contact with the thread and interact with the screw 15 during its rotation. The opposite end of the pin 19 is located in the through slot of the housing 13, which is formed by three interconnected (communicating) sections 20, 21 and 22. The sections 20 and 22 are made horizontal and in the form of semicircles, i.e. repeating the shape of the wall of the housing 13. Section 21, connecting the ends of sections 20 and 22, is made vertical. In aggregate, all sections give a slot in a zigzag shape. On the housing 13 below the main slot there is an additional slot 23, which differs from the main one only in the width of the actual slot. In an additional slot 23, there is an assembly 24 of the input of electric wires 25 for servicing the diagnostic sensor 11, mounted on the sleeve 18. To explain the process of using the robot in the HIFU thermal ablation procedure, figure 26 shows the biological object under study, position 27 - neoplasm, position 27 28 is the focus of ultrasonic radiation.

Используется робот следующим образом.The robot is used as follows.

Оператор вручную за конечное звено 4А робота устанавливает ультразвуковую головку 6 на поверхность биологического объекта (тело пациента) 26, предварительно покрытое слоем контактного геля. По визуальному изображению новообразования 27, поступающему на монитор (на чертеже не показан) от диагностического датчика 11, оператор, зная исходное фокусное расстояние излучателя 9, размещает фокус 28 в одной из точек в новообразовании 27. После этого в работу включается автоматическая система управления робота из блока 2, по команде которой включается в работу излучатель 9, осуществляя термическую абляцию новообразования 27 в точке расположения фокуса 28. По заданной программе фокус 28 перемещается по телу новообразования 27, осуществляя термическую абляцию последовательно от точки к точке приложения фокуса. Всё время работы излучателя 9 диагностический датчик 11 в автоматическом режиме сканирует пространство, занимаемое новообразованием 27 за счёт возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси 10 и вращения вокруг этой оси. Механизм 12 преобразования работает при этом следующим образом. В верхнем крайнем положении датчика 11 сканирование им может осуществляться путём вращения винта 15 и перемещения, таким образом, кинематически с ним связанного, штифта 19 по горизонтальной прорези 20. Так как штифт 19 жёстко соединен с гильзой 18, то её поворот будет означать и поворот, закреплённого на ней диагностического датчика 11. Для перемещения последнего в крайнее нижнее положение, обозначенное на чертеже фиг.2 как «Б», осуществляют вращение винта 15 в направлении против часовой стрелки, что приведёт к началу перемещения штифта 19 по резьбе 16. При таком вращении винта 15 штифт 19 переместится в вертикальную прорезь 21 на корпусе 13, который неподвижен. Взаимодействие штифта 19 с резьбой 16 приведёт к перемещению штифта 19 по прорези 21 вниз, а значит, и перемещения туда же связанной с ним гильзы 18, а также датчика 11. При достижении нижнего крайнего положения и продолжения вращения винта 15, штифт 19 заходит в горизонтальную прорезь 22, в результате чего гильза 18 поворачивается против часовой стрелки вместе с датчиком 11. Следует отметить, что при нахождении штифта 19 в прорезях 20 и 22 гильза 18 под действием электродвигателя 7 может совершать крутильные (колебательные) перемещения, сканируя, связанным с ней датчиком 11 новообразование 27 в горизонтальной плоскости. Промежуточные нахождения датчика 11 между верхним и нижним его положениями не предусматривают его крутильные перемещения. Одновременно перемещение гильзы 18 вызывает и перемещение узла 24 с проводниками 25 по дополнительным прорезям 23, повторяя траекторию движения штифта 19 по основным прорезям 20, 21 и 22.The operator manually installs an ultrasonic head 6 on the surface of the biological object (patient’s body) 26, previously coated with a layer of contact gel, behind the end link 4A of the robot. According to the visual image of the neoplasm 27, which arrives at the monitor (not shown) from the diagnostic sensor 11, the operator, knowing the initial focal length of the emitter 9, places the focus 28 at one of the points in the neoplasm 27. After that, the automatic robot control system from block 2, on command of which the emitter 9 is turned on, performing thermal ablation of the neoplasm 27 at the location of the focus 28. According to a given program, the focus 28 moves along the body of the neoplasm 27, performing the term physical ablation sequentially from point to point of focus application. All the time the emitter 9 is in operation, the diagnostic sensor 11 automatically scans the space occupied by the neoplasm 27 due to the reciprocating movement along the optical axis 10 and rotation around this axis. The conversion mechanism 12 operates as follows. In the upper extreme position of the sensor 11, it can be scanned by rotating the screw 15 and moving, thus kinematically connected, the pin 19 along the horizontal slot 20. Since the pin 19 is rigidly connected to the sleeve 18, its rotation will also mean a turn, the diagnostic sensor mounted on it 11. To move the latter to its lowest position, indicated as “B” in FIG. 2, rotate the screw 15 in a counterclockwise direction, which will lead to the beginning of the movement of the pin 19 along the thread 16. With this rotation of the screw 15, the pin 19 will move into the vertical slot 21 on the housing 13, which is stationary. The interaction of the pin 19 with the thread 16 will lead to the movement of the pin 19 along the slot 21 downward, and hence the movement of the sleeve 18 connected therewith, as well as the sensor 11. Upon reaching the lower extreme position and continuing the rotation of the screw 15, the pin 19 goes into horizontal the slot 22, as a result of which the sleeve 18 rotates counterclockwise together with the sensor 11. It should be noted that when the pin 19 is in the slots 20 and 22, the sleeve 18 under the influence of the electric motor 7 can make torsional (oscillatory) movements, scanning, connected with it, the sensor 11 tumor 27 in the horizontal plane. The intermediate locations of the sensor 11 between its upper and lower positions do not provide for its torsional movement. At the same time, the movement of the sleeve 18 causes the movement of the node 24 with the conductors 25 along the additional slots 23, repeating the trajectory of the pin 19 along the main slots 20, 21 and 22.

Claims (2)

1. Робот для термической абляции новообразований методом HIFU, содержащий основание, на котором расположен блок управления и рука, состоящая из ряда последовательно связанных друг с другом подвижных звеньев, содержащих приводы вращения в шарнирах их сочленений, при этом на конечном звене установлена терапевтическая ультразвуковая головка с корпусом, в полости которого установлен излучатель HIFU, а по его оптической оси расположен диагностический датчик, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси излучателя, а также вращения вокруг неё, при этом датчик кинематически связан с приводом вращения, расположенным на свободном конце конечного звена робота, отличающийся тем, что между датчиком и приводом вращения конечного звена введён механизм преобразования вращательного движения привода в возвратно-поступательное и вращательное движение датчика, который включает наружный полый цилиндрический корпус, жёстко связанный как с конечным звеном робота, так и корпусом ультразвуковой головки, при этом в полости корпуса установлен ходовой винт, соединённый с вращательным приводом конечного звена робота и смонтированный в гильзе, несущей на противоположном конце датчик и снабжённой закреплённым в её стенке штифтом, одним концом взаимодействующим с резьбой винта, а другим концом размещенным с возможностью перемещения в сквозной прорези, выполненной в корпусе и образованной сочетанием трёх участков, в частности, одним вертикальным, концы которого переходят в горизонтальные участки, выполненные в виде полуокружностей, ориентированных в противоположные стороны.1. A robot for thermal ablation of neoplasms by the HIFU method, containing a base on which a control unit and a hand are located, consisting of a series of movable links sequentially connected to each other, containing rotation drives in the joints of their joints, while a therapeutic ultrasonic head with housing, in the cavity of which a HIFU emitter is installed, and along its optical axis there is a diagnostic sensor installed with the possibility of reciprocating movement along the optical s of the emitter, as well as rotation around it, while the sensor is kinematically connected with a rotation drive located on the free end of the robot's final link, characterized in that a mechanism for converting the rotational movement of the drive into reciprocating and rotational movement is introduced between the sensor and the rotation drive of the final link a sensor, which includes an external hollow cylindrical body, rigidly connected with both the final link of the robot and the body of the ultrasonic head, while strokes are installed in the cavity of the body th screw connected to the rotary drive of the robot end link and mounted in a sleeve carrying a sensor at the opposite end and equipped with a pin fixed in its wall, interacting with the screw thread at one end and moving with the other end in a through slot made in the housing and formed by a combination of three sections, in particular, one vertical, the ends of which turn into horizontal sections, made in the form of semicircles oriented in opposite directions. 2. Робот по п.1, отличающийся тем, что корпус снабжен дополнительной направляющей прорезью для подвижного размещения в ней узла ввода электрических проводников, обслуживающих диагностический датчик, закрепленный на гильзе, при этом дополнительная прорезь расположена ниже первой и полностью повторяет её форму.2. The robot according to claim 1, characterized in that the housing is equipped with an additional guide slot for movably accommodating an input node of electrical conductors serving a diagnostic sensor mounted on the sleeve, while the additional slot is located below the first one and completely repeats its shape.

Images