超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的研究.pdf

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1、北京石油化工学院学报第20卷第4期Vo1．20NO．4JournalofBeijingInstituteof2012年12月Dec．2012Petro—chemicalTechnology超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的研究曹莹瑜邓双城崔卫韬王少贤(北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室，北京102617)摘要为了超声引导肝肿瘤微波消融治疗更精确、更稳定和程序化，减少人为和经验因素的影响，减轻医生劳动强度，保证整个治疗的精确实施，通过分析临床需求，开发了一种床跨式悬臂机器人系统，主要包括手

2、术导航系统和主被动关节相结合的穿刺机器人子系统。机器人可在导航软件的驱动下完成消融针的导航，协助医生完成手术。这种机器人结构简化了控制算法，提高了控制精度。为了进一步减小误差，重新定义了对系统精度影响最大的磁定位装置高精度工作区域。在此区域下，利用多模态穿刺体模进行了系统精度实验。结果表明机器人系统整体位置精度为±1．73mm，姿态精度为±0．66。，满足临床对定位精度和姿态精度的要求。关键词微波消融；医学机器人；手术导航；磁定位装置中图法分类号TH12超声引导介入式热消融治疗肿瘤技术已成导的机器人系统

3、。该机器人系统实际上是一个为一种重要的现代微创肿瘤治疗方法。为了满智能穿刺机构。系统由五自由度的被动机器人足I临床对肿瘤原位适形灭活的要求，须将该方和两自由度的主动进针机构组成。工作时，超法建立在更精确、更稳定和程序化的基础上，减声探头和穿刺针安装在同一个平面上，因而在少人为和经验因素的影响，减轻医生劳动强度，实时的二维超声图像中可以同时观察到肿瘤和以保证整个治疗的精确实施。机器人通过三维穿刺针。系统尝试用图像处理算法自动检测出路径规划、实时跟踪靶点等技术手段不仅能提肿瘤中心和穿刺针针尖，并根据两者的位

4、置自高手术操作的精度，而且能减少对医生经验的动动态调整穿刺针的穿刺路径_4]。系统的目依赖，降低医生的劳动强度。标是让穿刺针针尖自动追踪肿瘤中心。鉴于图在超声引导介入式肝肿瘤热消融手术方像处理算法的局限性，该系统目前停留在模型面，美国约翰·霍普金斯大学针对超声引导肝实验阶段。癌射频消融开发了一套双臂机器人_1。]。其中笔者提出一种能够适用于超声引导肝肿瘤一个机器人手臂安装超声探头，另外一个机器微波消融手术临床要求的床跨式悬臂机器人系人手臂安装穿刺针引导装置。该系统主要关注统，该机器人可在导航软件的驱动下

5、完成消融于系统的集成，并未在机器人方面进行深入研针的导航，协助医生完成手术。发，其所用的机器人皆为商用机器人改装。系统整体架构类似于我们在北京市科委“超声引1机器人系统组成导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的开发”项2009年北京石油化工学院和中国人民解目中开发的定位机器人，具有体积庞大、临床实放军总医院开始联合开发超声引导肝肿瘤治疗用性差的缺点。机器人系统。该机器人系统主要由手术导航系日本东京大学研究了基于二维实时超声引统和机器人子系统组成，整个系统如图1所示。1．1手术导航系统收稿日期：2012-05—

6、06肝肿瘤微波消融超声影像导航系统主要包第4期曹莹瑜等．超声引导肝肿瘤微波消融治疗机器人系统的研究3系统需经消毒无菌处理，保证手术的无菌操作，整个机器人机构采用被动关节和主动关节否则会对患者的伤口造成细菌感染。相结合的设计方案，被动关节悬臂共有7DOF，根据临床要求，笔者设计的机器人子系统分别由2个球关节和1个肘关节组成，起到位由床跨式三维平动台、被动悬臂、RCM结构小置初调和快速定位的作用，可使整个机器人机臂和末端穿刺针架组成，如图4所示。构在缩小体积、节约手术空间的前提下，达到更大的运动范围。床跨式

7、三维平动台(3DOF)和RCM结构小臂(2DOF)为主动关节，分别用来精确定位入针点的位置和姿态。末端穿刺针架为穿刺针导向装置，在各关节定位完成后，医生可沿穿刺针架将消融针按照既定的位置和姿态推入病灶。设计的机器人机构简图如图5所示，正向运动学表达式中齐次矩阵的具体形式如下：图4穿刺机器人机构图5机器人机构简图(不含被动悬臂)A1一rrans(O，0，d1)Rot(1，90。)A4一TranS(0，0，d2)TranS(Z3，0，0)×A2一Rot(】，90。)Trans(0，0，Z1)Rot(z2，9

8、0。)Rot(324，90。)A3一Rot(z2，一90。)Trans(0，0，Z2)×A5=Rot(4，01)rrans(O，0，Z4)Rot(1z5，90。)Rot(z3，一9O。)A6===Rot(5，02)sinE02]cos[02]0r+z2+￡4cos[02]sinE01]sinE01]sinE02]cosl-01]一z1+z3T—A1·A2·A3·A4·A5·A6一osl-0l}cos[-02]一cos[01]sinE02]s