[发明专利]用于柔性针操纵的超声引导机器人

权利要求书

1.一种用于根据预定轨迹将具有尖端的柔性针插入组织中的系统，所述系统包括：

用于操控所述针进入所述组织中的机器人；

用于根据所述尖端的超声图像确定所述尖端的区域中所述组织的位移模式的组织运动分析器；以及

控制所述机器人的运动以使根据所述尖端的超声图像所探知的所述针的所述尖端的位置和根据所述预定轨迹的所述尖端的所述期望位置之间的差异最小化的控制系统；

其中，所述控制系统适于利用作为柔性束的所述针的模型，所述柔性束具有横向连接到其上的多个虚拟弹簧，以模拟由所述组织施加在所述针上的横向力，且其中，由所述组织施加在所述针上的所述横向力是根据从所述针尖端周围的所述组织的位移模式导出的所述组织的弹性属性确定的。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述针的所述模型通过所述组织的路径是由所述多个虚拟弹簧对所述针的影响确定的。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制系统还利用应用于所述虚拟弹簧模型的逆向运动学解来计算要赋予所述针以使所述尖端按所述规划轨迹行进的所需运动。

4.根据权利要求1到3中的任一项所述的系统，其中，所述针的所述预定轨迹包括对于所述针的所述尖端的靶和所述针应当避免的至少一个区域。

5.根据权利要求1到4中的任一项所述的系统，还包括确定在所述针的基部施加在所述针上的力的力传感器，且其中，所述控制系统还使用所述力来确定所述针尖端附近的组织的硬度属性。

6.根据权利要求1到5中的任一项所述的系统，其中，所述控制系统确定通过对超声图像进行图像处理确定的所述尖端的位置与根据所述预定轨迹的所述尖端的规划位置的偏差，并计算要应用于所述机器人以减小所述偏差的运动。

7.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统，其中，所述预定轨迹被分成增量，并且所述控制系统在每个递增插入点根据从所述超声成像系统获得的所述针尖端的实时位置依据这些增量执行所述插入。

8.根据权利要求1到7中的任一项所述的系统，其中，选择所述预定轨迹以避免行程通过所述组织的不期望的区域。

9.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统，其中，使用图像处理算法获得所述尖端的区域中所述组织的所述位移模式。

10.根据权利要求1到6中的任一项所述的系统，其中，所述图像处理算法是双线性可变形块匹配算法。

11.一种用于确定组织的弹性特性的系统，所述系统包括：

具有尖端的针，用于插入所述组织中；

用于根据所述尖端的至少一个超声图像确定所述尖端的区域中所述组织的位移模式的组织运动分析器；以及

利用所述位移模式的性质确定所述尖端的区域中所述组织的弹性特性的组织分析器。

12.根据权利要求11所述的系统，还包括用于测量施加到所述针的插入力的力传感器，其中，所述力的测量结果用于提高所述确定所述尖端的区域中所述组织的弹性特性的精确度。

13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述位移模式的性质包括所述模式中的位移的幅度和形式中的至少一个。

14.根据权利要求11到13中的任一项所述的系统，其中，利用所述组织的所述弹性特性来检测所述组织中的病理异常。

15.一种用于根据预定轨迹将具有尖端的柔性针插入组织中的系统，所述系统包括：

用于操控所述针进入所述组织中的机器人；

用于根据所述尖端的超声图像确定沿所述针的所述组织的位移模式的组织运动分析器；以及

控制所述机器人的运动以使根据所述尖端的超声图像所探知的所述针的所述尖端的位置和根据所述预定轨迹的所述尖端的所述期望位置之间的差异最小化的控制系统；

其中，所述控制系统适于利用作为柔性束的所述针的模型，所述柔性束具有横向连接到其上的多个虚拟弹簧，以模拟由所述组织施加在所述针上的横向力，且其中，由所述组织施加在所述针上的所述横向力是根据从沿所述针的所述位移模式导出的所述组织的弹性属性确定的。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述针的所述模型通过所述组织的路径是由所述多个虚拟弹簧对所述针的影响确定的。

17.根据权利要求15所述的系统，其中，所述控制系统还利用应用于所述虚拟弹簧模型的逆向运动学解来计算要赋予所述针以使所述尖端按所述规划轨迹行进的所需运动。