一种软组织变形量同步测量方法技术

一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量同步测量装置和一个软组织变形量同步测量算法，属于微创外科手术医疗器械技术领域。所述装置的核心部件是一个六轴力/力矩传感器，其余附件包括一个矩形组织支撑板、一个与传感器顶端相联的圆形组织托盘、一个与传感器底面连接的用于固定传感器的矩形底板以及数据采集卡和计算机，该计算机含有信号处理软件。该测量装置固定于组织容器底部。信号处理软件包含一个组织挤压力计算算法和一个组织形变量计算算法。这两个算法共同实现了组织挤压力的同步读取与调用以及组织形变量的同步记录与显示，从而实现了在针穿刺软组织实验中组织变形量的同步显示。

A synchronous measurement method for soft tissue deformation

A synchronous measurement method for soft tissue deformation is presented. The method is used in robot-assisted soft tissue puncture experiments. The method includes a synchronous measurement device for soft tissue deformation and a synchronous measurement algorithm for soft tissue deformation. It belongs to the field of minimally invasive surgical medical devices. The core component of the device is a six-axis force/moment sensor. The rest of the accessories include a rectangular tissue support plate, a circular tissue tray connected with the top of the sensor, a rectangular bottom plate connected with the bottom of the sensor for fixing the sensor, and a data acquisition card and a computer with a signal location. Software. The measuring device is fixed at the bottom of the tissue container. The signal processing software includes an algorithm of tissue extrusion force calculation and an algorithm for calculating tissue variables. These two algorithms together realize the synchronous reading and calling of tissue extrusion force and the synchronous recording and display of tissue deformation, thus realizing the synchronous display of tissue deformation in needle puncture soft tissue experiment.

【技术实现步骤摘要】
一种软组织变形量同步测量方法
本专利技术涉及一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量同步测量装置和一套软组织变形量同步测量算法，属于微创外科手术医疗器械

技术介绍
微创外科(MinimallyInvasionSurgery，MIS)是近年来迅速发展起来的一门崭新技术，与传统外科手术相比，具有局部创伤小、手术时间短、全身反应轻、脏器功能恢复快等优。以微创外科研究为基础发展起来的医疗机器人和计算机辅助医疗外科设备与技术也已成为备受关注的应用前沿研究课题之一。在微创外科手术治疗中，穿刺是最古老，最普遍的一项外科技术，被广泛应用于活体组织病理检查、局部药物投送癌症治疗等手术中。大量的外科诊断、治疗和研究都需要针穿刺到特定靶点，其中大多数穿刺靶点都集中在软组织器官(如肾、肝脏、前列腺、乳房等)，而影响针穿刺精度的主要原因就是穿刺过程中针体与非均质软组织之间相互作用而引起的靶点位置误差。为此，要想减小针穿刺的靶点位置误差就必须弄清楚针穿刺过程中针体与非均质软组织之间的相互作用力以及组织的变形量。现有的研究表明针穿刺过程中针体与非均质软组织之间的相互作用力包括针体与软组织之间的摩擦力以及软组织对针体的挤压力。其中挤压力是引起组织变形的主要原因，但是组织挤压力以及变形量的测量是一个难题，得到组织挤压力的常见的方法有如下两种而组织变形量的测量目前没有合适的办法：(1)在针座上安装一个六轴力/力矩传感器，组织对针体的挤压力根据杠杆原理会在针座上产生一个与挤压力方向相反的力，近似的认为这就是组织挤压力，但是没有将针弯曲的情况考虑到里面。(2)在组织容器盒底部安装一个压力传感器，当针穿刺软组织时会产生一个向下的压力，近似认为此压力就是组织挤压力，误差比较大。鉴于上述两种测量组织挤压力的方法，设计出了一套装置和方法能更准确的测得组织挤压力和并通过推导出组织挤压力与组织变形量的关系式进而间接得到组织变形量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于设计一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，使得软组织变形量能够同步地显示到电脑屏幕上。本专利技术的技术方案如下：一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验。其特征在于：该方法包含一个软组织变形量同步测量装置和一个软组织变形量同步测量算法。该软组织变形量同步测量装置包括：中心开孔的矩形组织支撑板(1)、圆形组织托盘(2)、矩形底板(3)、六轴力学传感器(4)、组织容器盒(5)、数据采集卡(6)及计算机(7)。其中六轴力学传感器(4)顶端与圆形组织托盘(2)通过螺钉连接，六轴力学传感器(4)底面与矩形底板(3)通过螺钉连接；矩形底板(3)通过卡槽方式固定在组织容器盒(5)底部；中心开孔的矩形组织支撑板(1)与圆形组织托盘(2)处同一圆心并同一平面上，中心开孔的矩形组织支撑板(1)固定于组织容器盒(5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑板(1)的中心孔半径大于圆形组织托盘(2)的半径以保证圆形组织托盘(2)在水平面上不受约束；该装置固定在组织容器盒(5)底部用于同步测量针穿刺软组织过程中软组织的变形量，测得的数据通过数据采集卡(6)传递到计算机(7)，然后通过计算机(7)内的信号处理软件再结合软组织形变量同步测量算法，直接读出组织变形量，并让变形量同步显示。本专利技术的特征还在于软组织变形量同步测量的算法如下：(1)由于软组织是黏弹性的材料，所以针对组织的挤压力向底部传递的时候会由于组织内部的消耗能而减小，那么组织实际上受到的挤压力FN就可以通过底部的传感器间接测得FN＝KFN0(K＞1)。K是一个大于1的系数，与针的直径以及针刺入的位置等有关。(2)依据开尔文黏弹性模型，推导出组织挤压力与组织形变量的关系，即附图说明图1是本专利技术的装置示意图。图2为本专利技术的组织受力及传递简图。图3为本专利技术的开尔文黏弹性模型图。图4为本专利技术的功能流程图。具体实施方式图1为本专利技术专利所述的装置示意图。其中附图标记如下：六轴力学传感器1、矩形底板2、中心开孔的矩形组织支撑板3和圆形组织托盘4。其中矩形底板2与六轴力学传感器1的底部用螺栓固定，并通过滑槽固定到组织容器盒底部，中心开孔的矩形组织支撑板3的中心孔直径大于圆形组织托盘4的直径，装配时，4和3的中心孔同心并且要处于同一平面上，圆形组织托盘4通过螺栓与六轴力学传感器1固定，组织支撑板3也是通过滑槽固定到组织容器盒上。图2是本专利技术专利所述的软组织受力及传递简图。由于软组织是黏弹性的材料，所以针对组织的挤压力向底部传递的时候会由于组织内部的消耗能而减小，那么组织实际上受到的挤压力FN与传递到底部通过测量装置测得的压力FN0的关系有如下表达式：FN＝KFN0(K＞1)(1)式(1)即为信号采集处理软件中的组织挤压力计算算法，通过计算机编程计算，即可直接得到组织挤压力，并存储到计算机的数据采集卡中，供组织变形量算法调用。图3是本专利技术本专利技术专利所述的组织变形量计算算法所依据的开尔文黏弹性模型简图。其中附图所涉及的组织变形量计算算法推导如下：根据组织的黏弹特性，结合开尔文黏弹性模型公式，得出如下公式。其中：k、b分别是软组织的弹性系数和粘滞系数；x为组织的形变量。对式(2)进行拉普拉斯变换得到下式FN(s)＝k·x(s)+b·s·x(s)(3)结合式(3)和式(4)得对式(5)进行反拉氏变换，可得组织变形量x与组织挤压力FN的关系式如式(6)所示图4是本专利技术所述的组织变形量同步显示的功能流程图。如附图所示，针穿刺实验开始以后，容器盒底部的力传感器采集到电压信号，然后通过计算机信号采集处理软件内的挤压力算法得到同步挤压力数据FN并存储在数据采集卡中，接着在软件界面输入组织的性能参数k、b，供软件中的组织变形量计算算法调用，组织变形量计算算法同时调用采集卡中的挤压力数据FN，以及针穿刺实验的穿刺时间t，通过软件计算处理得到组织的变形量，然后使之同步显示到计算机界面。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量同步测量装置，其由中心开孔的矩形组织支撑板(1)、圆形组织托盘(2)、矩形底板(3)、六轴力学传感器(4)、组织容器盒(5)、数据采集卡(6)及计算机(7)组成。其中六轴力学传感器(4)顶端与圆形组织托盘(2)通过螺钉连接，六轴力学传感器(4)底面与矩形底板(3)通过螺钉连接；矩形底板(3)通过卡槽方式固定在组织容器盒(5)底部；中心开孔的矩形组织支撑板(1)与圆形组织托盘(2)处同一圆心并同一平面上，中心开孔的矩形组织支撑板(1)固定于组织容器盒(5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑板(1)的中心孔半径大于圆形组织托盘(2)的半径以保证圆形组织托盘(2)在水平面上不受约束；该装置固定在组织容器盒(5)底部用于同步测量针穿刺软组织过程中软组织的变形量，测得的数据通过数据采集卡(6)传递到计算机(7)，然后通过计算机(7)内的信号处理软件再结合软组织形变量同步测量算法，直接读出组织变形量，并让变形量同步显示。

【技术特征摘要】
1.一种软组织变形量同步测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量同步测量装置，其由中心开孔的矩形组织支撑板(1)、圆形组织托盘(2)、矩形底板(3)、六轴力学传感器(4)、组织容器盒(5)、数据采集卡(6)及计算机(7)组成。其中六轴力学传感器(4)顶端与圆形组织托盘(2)通过螺钉连接，六轴力学传感器(4)底面与矩形底板(3)通过螺钉连接；矩形底板(3)通过卡槽方式固定在组织容器盒(5)底部；中心开孔的矩形组织支撑板(1)与圆形组织托盘(2)处同一圆心并同一平面上，中心开孔的矩形组织支撑板(1)固定于组织容器盒(5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑板(1)的中心孔半径大于圆形组织托盘(2)的半径以保证圆形组织托盘(2)在水平面上不受约束；该装置固定在组织容器盒(5)底部用于同步测量针穿刺软组织过程中软组织的变形量，测得的数据通过数据采集卡(6)传递到计算机(7)，然后通过计算机(7)内的信号处理软件再结合软组织形变量同步测量算法，直接读出...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓艺，李灼华，曹海莲，李晓辉，
申请(专利权)人：青海大学，
类型：发明
国别省市：青海,63