減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置。
【背景技術】
[0002]由于經皮靶向穿刺手術在組織活檢、靶向注射、近距離放射性治療以及神經外科手術等方面有著極為重要的應用，特別是在癌癥早期診斷和治療領域的優異表現，使之成為微創手術系統研究的焦點與前沿。對于穿刺手術，穿刺精度是手術成敗的關鍵。穿刺時，較差靶向精度會導致組織損傷、錯誤診斷或不當放射量，例如，切片活檢時的較差定位，將導致可能相反的檢查結果;熱消融時的較差定位，會殺死正常組織而不是癌變組織，這在某些時候將產生災難性的后果。因此，如何在穿刺手術中減小靶向誤差以達到理想的穿刺精度，對降低組織傷害和患者的痛苦具有極為重要的現實意義。
[0003]現有技術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、軟組織的復雜的時變特性，實際中的針操控難以精準;二是穿刺路徑上存在障礙物如骨頭、敏感組織，則無法進行穿刺手術，給系統動力學建模和穩定操作帶來極大困難，實際手術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，同時很難達到理想的穿刺精度。
[0004]雖然在軟組織穿刺領域，柔性針的穿刺機理、路徑規劃和控制已引起了國內外學者的廣泛關注和研究，然而，面向軟組織進行手術操作，涉及到生物力學、斷裂力學、摩擦學、影像學、自動控制等多學科基礎科學，技術挑戰性強，研究難度大，主要體現在:(1)柔性針穿刺軟組織技術是通過針根部2個自由度運動，繞針軸線旋轉運動和進給運動，控制針尖實現6個自由度的空間定位，即包含4個非同胚自由度，屬于非完整系統的范疇。(2)柔性針穿刺涉及到復雜的針-組織相互作用，醫師很難手工操作。(3)組織變形、組織各向異性和多層組織邊界特性導致插入運動的不確定性以及含有復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挑戰。因此，基于柔性針的穿刺軟組織技術尚處于探索起步階段，理論研究還不完善，離實驗應用以及后續的臨床應用都還有一定距離。
【發明內容】
[0005]—種減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置，其包括底座，其上分布有10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，可改變套筒與支架的位置，以調節固定卡槽I和固定卡槽II的高低，電動執行器I通過兩個連接螺釘固定在固定卡槽I上，電動執行器II與通過兩個連接螺釘與固定卡槽II連接。電動執行器I上連接有穿刺針，電動執行器II上連接有支撐板，支撐板與導管連接，導管與穿刺針同心安裝。
[0006]進一步地，該裝置可用于執行如下操作，a、確定力預加載裝置的位置，穿刺點位置及穿刺方向；b、控制器預設預緊速度、預緊力、穿刺速度及穿刺力的大小;c、控制末端預緊裝置按預設數據壓緊被穿刺軟組織，并保持;d、控制穿刺針電動執行器按照預設數據動作并開始穿刺;e、將穿刺針經力預加載裝置刺入軟組織，按照仿真路徑規劃進行穿刺到位。
【附圖說明】
[0007]
圖1軟組織穿刺手術時的針穿刺誤差示意圖；
圖2軟組織操作力加載不同方法與力的關系示意圖；
圖3力預加載穿刺實現方法；
圖4a力預加載前；
圖4b力預加載后穿刺前；
圖4c力預加載后保持及穿刺開始；
圖4d穿刺到位。
【具體實施方式】
[0008]
[0009]在沿直線路徑穿刺過程中，路徑上不可避免會存在敏感組織(圖lb)，為提高穿刺目標的可訪問性，降低敏感組織的損傷，需要控制敏感組織遠離針刺路徑，同樣，軟組織形變導致了穿刺目標的位置移動，為提高穿刺精度，實現精準靶向穿刺的目標，需要控制靶點目標向直線穿刺路徑移動，因此，本發明轉變傳統的慣性思維，取代在針刺過程中操縱針向目標方向移動的傳統技術方法，提出一種新的機器人輔助沿直線路徑精準靶向穿刺軟組織目標的技術手段，采用基于軟組織興趣點目標的形變移位控制方法，引導目標靶點“主動”向穿刺針所在直線的方向移動，同時又可以控制障礙物和敏感組織遠離針穿刺路徑，以提高目標的可訪問性，突破機器人輔助精準靶向穿刺軟組織的機理與方法，最大限度的減少目標位置的跟蹤誤差，以提高靶向穿刺精度，進而提高手術治療效果、擴展手術適用范圍、提升患者恢復速度和增強手術安全，切實提高穿刺手術的適用性、有效性、普及性和安全性。本方法具有結構簡單、操作容易、精度高的優點。
[0010]仿真手術與實際手術的軟組織形變量決定著穿刺手術的精度，因此穿刺前對軟組織施加預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。
[0011]基于成熟的醫學影像采集、三維圖像重建、穿刺路徑規劃、虛擬手術培訓等技術，實現方法如圖3a所示，整個手術過程分為兩個階段:預加載階段和腫瘤目標的預測、定位及針刺階段。借助于針-軟組織力交互模型，對穿刺力大小進行仿真及仿體實驗研究，確定預加力的范圍，綜合衡量穿刺精度和患者軟組織承受力負荷的平衡關系，考慮穿刺針的速度、位置、方向對其優化，以此優化值為基準，利用軟組織形變仿真模型，完成對腫瘤目標的預測、定位，力加載裝置(中空，中間穿過穿刺針)輸出穩定的預加載力，并對軟組織在穿刺手術前進行加載，進而插入穿刺針并沿力預加載路徑行穿刺手術，此方法可在穿刺時最小化軟組織形變，并防止軟組織由彈性到刺穿階段而出現的粘彈性效應，如應力松弛及蠕變現象等，減小腫瘤目標位置的形變和移位，提高穿刺精度和手術質量。
[0012]圖4a_4b示出了減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置，其包括底座12，其上分布有10個支架11，通過各個定位螺釘10與焊接在兩個固定卡槽7和14的套筒9連接，可改變套筒9與支架11的位置，以調節固定卡槽17和固定卡槽1114的高低。電動執行器16通過兩個連接螺釘8固定在固定卡槽17上，電動執行器1115與通過兩個連接螺釘13與固定卡槽1114連接。電動執行器16上連接有穿刺針5，電動執行器1115上連接有支撐板4，支撐板4與導管2連接，導管2與穿刺針5同心安裝。
[0013]該方法按照如下步驟進行操作:
(1)病人術前醫學圖像采集、二維圖像建立；
(2)二維醫學圖像分析、三維圖像重建；
(3)根據分析結果，確定手術方案；
(4)借助于軟組織形變力學模型，確定預加力的范圍；
(5)利用軟組織形變仿真模型，優化穿刺針的速度、位置、方向；
(6)完成對腫瘤目標的預測、定位，確定穿刺點和穿刺路徑；
(7)根據優化結果，選定實際穿刺點、穿刺方向，利用力預加載及穿刺裝置，該裝置使用上下布置且輸出同軸的伺服電機電動執行器作為執行裝置(圖4)，其控制器可設置預緊速度、預緊力、穿刺速度及穿刺力的大小，電動執行器1末端安裝力預加載工具，動作時實現穿刺前的軟組織預壓緊功能，電動執行器2夾持穿刺針，動作時實現沿著力預加載方向上的穿刺功能。具體控制和使用方法按照以下步驟實現:
a、確定力預加載裝置的位置，穿刺點位置及穿刺方向(圖4a);b、控制器預設預緊速度、預緊力、穿刺速度及穿刺力的大小;c、控制末端預緊裝置按預設數據壓緊被穿刺軟組織，并保持(圖4b) ;d、控制穿刺針電動執行器按照預設數據動作并開始穿刺(圖4c) ;e、將穿刺針經力預加載裝置刺入軟組織，按照仿真路徑規劃進行穿刺到位(圖4d)。
【主權項】
1.一種減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置，其包括底座，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，以調節固定卡槽I和固定卡槽II的相對高低，電動執行器I通過兩個連接螺釘固定在固定卡槽I上，電動執行器II與通過兩個連接螺釘與固定卡槽II連接。電動執行器I上連接有穿刺針，電動執行器II上連接有支撐板，支撐板與導管連接，導管與穿刺針同心安裝，固定卡槽I與固定卡槽II上下布置，電動執行器由伺服電機驅動。2.如權利要求1所述的裝置，該裝置可用于執行如下操作，a、確定力預加載裝置的位置，穿刺點位置及穿刺方向；b、控制器預設預緊速度、預緊力、穿刺速度及穿刺力的大小;c、控制末端預緊裝置按預設數據壓緊被穿刺軟組織，并保持;d、控制穿刺針電動執行器按照預設數據動作并開始穿刺;e、將穿刺針經力預加載裝置刺入軟組織，按照仿真路徑規劃進行穿刺到位。3.如權利要求2所述的裝置，該裝置用于實施高精度靶向穿刺軟組織，其步驟包括: (1)病人術前醫學圖像采集、二維圖像建立； (2)二維醫學圖像分析、三維圖像重建； (3 )根據分析結果，確定手術方案； (4)借助于軟組織形變力學模型，確定預加力的范圍； (5)利用軟組織形變仿真模型，優化穿刺針的速度、位置、方向； (6)完成對腫瘤目標的預測、定位，確定穿刺點和穿刺路徑； (7)根據優化結果，選定實際穿刺點、穿刺方向，利用所述裝置，所述裝置使用上下布置且輸出同軸的伺服電機電動執行器作為執行裝置，其控制器可設置預緊速度、預緊力、穿刺速度及穿刺力的大小，電動執行器I末端安裝力預加載工具，動作時實現穿刺前的軟組織預壓緊功能，電動執行器II夾持穿刺針，動作時實現沿著力預加載方向上的穿刺功能。
【專利摘要】一種減小穿刺軟組織形變的力預加載及穿刺裝置，其包括底座，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，以調節固定卡槽I和固定卡槽II的相對高低，電動執行器I通過兩個連接螺釘固定在固定卡槽I上，電動執行器II與通過兩個連接螺釘與固定卡槽II連接。電動執行器I上連接有穿刺針，電動執行器II上連接有支撐板，支撐板與導管連接，導管與穿刺針同心安裝，固定卡槽I與固定卡槽II上下布置，電動執行器由伺服電機驅動。
【IPC分類】A61B17/34
【公開號】CN105476697
【申請號】CN201510622019
【發明人】趙洪華, 田建英, 田倩倩, 艾長勝, 曹樹坤, 陳綿鵬
【申請人】濟南大學
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年9月25日