一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备及方法技术

本发明专利技术公开一种基于体表动态位置信息的微创机器人设备及方法。目的是为了解决在穿刺手术过程中由于人体的自主呼吸运动而使得穿刺目标产生位移，从而导致穿刺精度降低的问题。针对现有问题，本发明专利技术结合高精度红外定位装置设计了人体呼吸模型估计方案，对穿刺过程中由于呼吸运动造成的误差进行修正，从而使得操作人员能够对穿刺目标进行准确穿刺，减少操作失误率。作失误率。作失误率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备及方法


[0001]本专利技术涉及医学微创穿刺领域，主要是公开一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备及方法。

技术介绍

[0002]微创穿刺在现代医学诊断中是最常用的方法，例如病理活检、射频消融和粒子植入等都需要使用到微创穿刺技术。在传统手术治疗中，医生主要通过自身经验来判断穿刺入针位置和角度，这对于技巧性要求过高，而且在手术过程中不可避免的会存在手部抖动等问题。为了解决人工穿刺精度问题，可以使用机器人来代替人工执行穿刺任务，但仍然存在穿刺过程中由于人体自主呼吸而引起的精度误差。
[0003]传统的穿刺手术中一般采用让病人屏气或维持术中良好镇痛镇静的方法来减少呼吸运动造成的穿刺误差。但是这些方法都存在一定的不可控因素，无法精确控制病人的呼吸幅度，且不适用于需要多次穿刺的计划。
[0004]鉴于上述问题，有必要提出一种实时监控人体体表位置信息并计算组织及穿刺中心的位移，从而对穿刺引导进行相应呼吸补偿的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术在进行胸腹部穿刺时，人体自主呼吸导致内脏穿刺靶点移位影响最终穿刺准确性的缺陷而提出一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备及方法。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备及方法，包括体表定位模块、实时监控模块、自动修正模块和机器人模块。
[0008]其中体表定位模块包含红外小球和体膜组成的定位装置，该模块用于结合病人医用扫描图像信息来构建人体三维实时状态模型；实时监控模块通过红外监控设备来实时获取体表定位装置的空间位置信息并在相应显示程序上进行配准显示；自动修正模块将上述监控模块获取到的定位装置位置信息反馈到三维模型中，对人体体内器官进行建模修正；机器人模块为七自由度机械臂装置，可以实现毫米级误差穿刺引导。
[0009]本专利技术公开一种在高精度红外监测设备下实时监控人体体表的动态位置信息，并同步进行三维建模显示，从而引导医生实施精准穿刺的方法。包括如下步骤：
[0010]S1：将体表定位装置安置于人体体表感兴趣区域附近，并保证定位装置数量在三个以上，以供红外监测设备来对人体进行三维空间精确定位。
[0011]S2：使用医用扫描设备对人体感兴趣区域进行扫描成像，便于后续三维模型建立，并通过定位装置来获取体内穿刺目标的相对位置信息。
[0012]S3：建立呼吸模型来描述人体呼吸运动，通过分析呼吸的不同阶段(包括呼气阶段、吸气阶段和呼吸末段)，采用线性与二次项混合模型对呼吸运动进行模拟，并根据实时
监控的体表变化，计算敏感组织和穿刺目标的位移，从而对引导信息进行修正。
[0013]S4：通过计算机来对七自由度机械臂进行三维模型重建，并通过红外监控设备将其与人体模型构建到同一空间坐标系下，再对其进行实时同步监控。确认好穿刺位置和穿刺角度后，采用七自由度机械臂对实时修正后的引导信息进行正确执行。
[0014]S5：机械臂将穿刺针送达目标位置，穿刺结束。
[0015]本专利技术的有益效果在于：构建了人体和机械臂的整体空间模型，能够直观的观测到穿刺过程中的实时变化情况；通过机械臂稳定引导和呼吸模型修正来减小穿刺误差；使得患者在不需要屏气的情况下也能准确命中穿刺目标，既可以减轻操作人员压力，又可以提高患者手术成功率。
附图说明
[0016]图1为本专利技术中人体体表定位装置图。
[0017]图2为三维模型示意图。
[0018]图3为本专利技术中呼吸运动模型建立流程图。
[0019]图4为本专利技术中的呼吸模型数据流图。
[0020]图5为穿刺系统整体效果图。
具体实施方式
[0021]为了更好的表述本专利技术的技术方案和优点，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。
[0022]步骤一、参考图1，固定于人体体表的定位装置由红外定位小球构成，高精度红外监控设备接收到红外定位小球反射回来的由自身发出的红外光线后，即可分析计算出定位小球的空间三维坐标位置，从而到达实时监控的目的。
[0023]步骤二、对医用扫描设备获取的图像信息进行三维模型重建，参考图2，重建后的三维模型包含人体骨骼、敏感组织和穿刺目标等，系统能够为模型各部位进行单独编辑以便于突出显示。
[0024]本实施例是对具体实施例的进一步说明，本实施例中，获取体表定位装置的空间坐标位置的具体步骤如下：
[0025]步骤二一、实时采集通过红外监控设备采集到的体表定位装置三维坐标数据，并将其传输到设备系统中；
[0026]步骤二二、采用结合VFC信息和互信息的配准方法来将采集到的数据和术前数据进行配准，计算获取当前病人解剖结构和穿刺目标的相对位置；
[0027]步骤二三、对获取到的各部位信息进行三维重建，并为不同的组织器官渲染不同的颜色，使得医生可以直观的了解病人身体信息。
[0028]步骤三、参考图3，建立适当的呼吸模型来模拟人体呼吸运动。具体地，呼吸模型的建立主要分为三个模块：训练模块、校验模块和实时估计模块。
[0029]训练模块根据输入的训练数据及模型类型对模型参数进行训练；校验模块使用训练模块生成的模型，输入体外标记数据，估计体内靶区运动，对比显示估计数据与实测数据间的差异，并计算相应的模型性能评价指标；实时估计模块根据实时输入的体外标记数据，
估计计算体内靶区位移。
[0030]另外，系统将呼吸运动分为三个阶段：呼气阶段、吸气阶段和呼吸末段，前两个阶段呼吸引起的组织运动幅度变化较为剧烈，采用二次项模型进行模拟，第三个阶段组织运动较为平缓，即采用线性模型进行模拟，在不损失精度的同时降低计算负荷。
[0031]参考图4，系统在得到不同呼吸阶段的运动模型后，将根据当前阶段的运动模型来计算组织运动位移，修正运动误差。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备，其特征在于：所述微创穿刺机器人包括七自由度机械臂、用于穿刺的穿刺针套模块、用于控制机械臂移动的上位机、涂有反光材料的定位小球。2.如权利要求1所述的一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备，其特征在于：所述穿刺针套采用中空设计，可以允许穿刺针从中穿过。3.如权利要求1或2中任意一项所述的一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备，其设计方式基于以下原则：1)所述的穿刺针套固定于机械臂末端，与机械臂形成刚性结构。2)所述的穿刺针套上固定三个定位小球，三个定位小球顺序连接形成一个三角形。4.如上权利所要求的一种基于体表动态位置信息的微创穿刺机器人设备，其特征在于：所述机器人位移精度在0.1mm以内。...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵耀，葛云，马驰野，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：