[发明专利]用于柔性针操纵的超声引导机器人

说明书

本申请为分案申请，其原申请的申请日是2011年1月27日，申请号为200980129480.9，发明名称为“用于柔性针操纵的超声引导机器人”。

技术领域

本发明涉及向组织中插入柔性针的控制领域，尤其是在通过超声成像观察针插入时，向组织中插入柔性针的控制领域。

背景技术

大量临床流程涉及到出于诊断和治疗目的的针插入。这样的流程包括活组织检查、区域麻醉、施药、采血、前列腺近距治疗和烧蚀。这些流程需要在器官、血管或病灶处对针尖端进行导航和精确放置。诊断是否正确或治疗处置是否成功高度取决于针插入的精度。例如，在用针向肿瘤中放置放射性种子的近距治疗中，治疗的有效性直接与针放置的精确度相关。在活组织检查中显然也是同样情况，在活组织检查中针的误置可能会导致误诊。

医师常常徒手执行针插入流程，根据从工具反馈的力和他们对解剖结构的3D感知向前推进针。这种流程的性能是受到限制的，依赖于医师的训练和技巧。尽管成像技术能够改善靶可见度和针的放置，但仍然有导致针误置的原因，例如由于组织变形导致的靶移动和针偏斜。此外，轨迹可能包含需要避开的障碍，从而需要重复插入过程。软组织性质的变化可能导致规划流程阶段和治疗阶段之间不可预知的偏差。估计在进行CT引导的针刺活组织检查的患者中，由于针的误置有14％的测试是没有价值的。因此，有时会重复活检流程以确保采样充分，这使患者承受更大风险并可能发生并发症。

使用柔性针而非刚性针，可以在很大程度上克服以上限制，因为通过操控针的基部，能够将柔性针尖端操纵到靶，即使沿着弯曲轨迹。题为“Controlled Steering of a Flexible Needle”的PCT专利申请No.PCT/IL2007/000682(被公开为WO2007/141784)以及D.Glozman和M.Shoham在IEEE Transactions on Robotics 2007年6月第23卷第3期发表的题为“Image-guided Robot for Flexible Needle Steering”的文章描述了用于在实时X射线荧光检查引导下在软组织中操纵柔性针的机器人系统，通过引用将这两篇文献都全文并入本文。

这种用于闭环针插入的方法利用了一种算法，用于基于虚拟弹簧模型由机器人操控针基部，进行路径规划，针尖端和轮廓检测，以及通过分析由针对组织施加的力导致的组织沿针长度的位移来迭代地估计组织硬度。

在上述WO2007/141784中已经介绍了基于虚拟弹簧模型在软组织中操纵柔性针的理论模型。在这种模型中，如图1的示意图所示，针把持在机器人基部中，机器人基部向针施加横向力F_b和力矩M_b。将针本身看做图1中分成段的线性束，标识为要素1......i....n，其中每者都受到与虚拟弹簧系数和位移成正比的横向弹簧力。假设横向针位移很小，将组织响应视为线性的并通过沿针分布的横向虚拟弹簧对组织的力建模。因此，每段i都受到点力F_i的作用，其取决于从初始位置w_oi的局部位移w_i以及由虚拟弹簧系数k_i描述的组织硬度。

从基部处的边界条件和二阶连续性条件和要素间施加的弹簧力，可以导出由以下矩阵表达式描述的4×n方程：

KN＝Q     (1)

其中

n是要素的数量，

K是N_ij的矩阵系数，

N是在每个要素N_ij的边缘处的平移和斜率矢量，其中i是要素编号，而j是要素i处的自由度。

Q是包括在针刺穿其时节点的硬度系数和初始位置的组合的矢量。

然后可以解方程(1)，以计算针基部的所需取向和平移，从而针尖端将按期望路径行进。这是逆向运动学问题的解。在所有避开障碍并确实能到达靶的可能路径中，要使用的最佳一个是对组织施加最小横向压力的路径，其一般与最小针曲率相关。这是通过选择使虚拟弹簧位移和斜率的平方和最小化的尖端倾斜来实现的。

然而，现有技术中描述的X射线荧光检查跟踪涉及对受检者的X辐射剂量以及执行流程的医务人员受到的偶然散射辐射。此外，可用于执行成像的X射线系统可能是有限的，且这样的设备昂贵，从而可能期望有一种备选的跟踪针的方法。

在说明书这一节和其他节中提到的每种出版物的公开都通过引用、全文地并入本文。

发明内容